Ubicació proposada per al complex de recerca ITER al costat de la central nuclear Vandellòs II

L’era industrial que els països més rics van encetar el segle xix i que els països més pobres just estan iniciant ha suposat l’adopció d’uns estils de vida fortament consumistes d’energia. En darrer terme, la major part dels processos quotidians actuals necessiten electricitat, calor o energia mecànica per efectuar-los i la demanda energètica no ha parat d’augmentar de manera vertiginosa en les darreres dècades.

La ciència ha estat capaç d’enginyar diversos procediments per tal de generar electricitat, però actualment en dominen tres: l’energia tèrmica de combustió de materials fòssils, l’energia nuclear de fissió i, en menor grau, l’energia hidràulica. Les energies renovables, com l’eòlica, la solar o de la biomassa són l’esperança per a un futur energètic més sostenible, però ara per ara no poden proveir de prou potència elèctrica l’enorme demanda mundial. L’energia hidràulica està limitada per la disponibilitat de grans volums d’aigua així com per la potència màxima assolible, a banda dels problemes mediambientals que genera. D’altra banda, l’energia tèrmica, que proveeix els dos terços de la producció mundial d’electricitat, utilitza combustibles fòssils com carbó, petroli, o gas natural. Les centrals que en generen emeten grans quantitats de gasos contaminants que contribueixen a l’escalfament progressiu de la Terra (efecte hivernacle): diòxids de carboni, de sofre i de nitrogen.

Per últim, l’energia nuclear pateix diverses dificultats pel seu desenvolupament, en particular pel rebuig social generalitzat, que ha portat a moratòries en la construcció de noves plantes de potència. A l’Estat espanyol hi existeix una moratòria nuclear des de 1984 i una paralització definitiva des de 1994; ara bé, Espanya importa energia elèctrica de França, un país altament nuclearitzat. El principal problema de les centrals nuclears és potser el de l’emmagatzematge dels residus radioactius d’alta activitat (combustible gastat i productes d’activació). Hem de ser conscients, a més, que tant les reserves d’urani com les de combustibles fòssils són limitades i no trigaran a esgotar-se. No obstant, des de fa mig segle es coneixen uns processos capaços d’alliberar energia en quantitats importants que s’anomenen reaccions de fusió nuclear. Aquestes utilitzen productes molt abundants i generen residus menys tòxics que en els casos anteriors.

La recerca de noves fonts d’energia: la fusió nuclear

Així com les reaccions de fissió nuclear (les que s’aprofiten en les actuals centrals nuclears) provoquen que un nucli pesant (com el d’urani) es trenqui en dues parts tot deixant anar una quantitat important d’energia, les reaccions de fusió es basen en la unió de dos nuclis atòmics molt lleugers per acabar formant-ne un de més pesant i alliberar encara més energia per cada gram de combustible (unes cent vegades més que en les reaccions de fissió de les centrals nuclears). Aquesta energia s’aprofita en part per vaporitzar aigua i moure les turbines i els generadors que proporcionaran finalment l’electricitat.

Reacció bàsica de fusió de dos nuclis d’hidrogen (deuteri i triti) que s’utilitzarà en el projecte ITER

Malgrat que a la Terra els processos energètics naturals i artificials no es duen a terme a través de reaccions de fusió, aquest tipus d’energia és la predominant a l’Univers i concretament a l’interior de les estrelles. D’aquí ve l’apel·latiu d’energia de les estrelles amb què a voltes s’ha batejat la fusió nuclear. Les estrelles mitjanes, com el Sol, cremen nuclis d’hidrogen que es fusionen per donar heli i energia que es transfereix a la radiació lumínica que arriba a la Terra.

Per tal de crear reaccions de fusió a la Terra s’utilitzen com a combustibles dues espècies d’hidrogen: el deuteri i el triti. El primer s’obté de l’aigua i el segon no existeix en forma natural i s’ha de produir artificialment a partir de liti, també molt abundant. Els productes de la reacció són heli i un neutró molt energètic. L’heli (cendres de fusió) ha de ser capaç de mantenir la temperatura de la mescla de combustibles (plasma) i s’ha d’extreure de la cambra de combustió com a residu gasós, mentre que el neutró s’utilitza per obtenir més triti amb el qual s’alimenta de nou la reacció. Per fer-ho, la cambra de combustió ha de contenir una capa fèrtil de liti, que en reaccionar amb els neutrons de fusió es transformarà en triti. A més, com que aquesta capa de liti frena els neutrons, escalfa el refrigerant que circula per l’interior i que, en forma de vapor, acabarà incidint en les turbines per produir electricitat.

Ara bé, s’ha de considerar que per aconseguir fusionar dos nuclis calen energies molt altes, per tal de vèncer la forta repulsió elèctrica dels nuclis. Això implica que s’han de calentar els combustibles a temperatures elevadíssimes, de l’ordre de cent milions de graus. En aquest règim, la matèria es troba en un altre estat anomenat plasma, i no hi ha cap material que pugui contenir en el seu interior aquests valors formidables de temperatura. Existeixen dues vies per mantenir el plasma (la tercera és la via gravitacional de les estrelles, impossible d’assolir a la Terra): el confinament magnètic, en què camps magnètics creats per enormes imants atrapen el plasma en un volum determinat, i el confinament inercial, en què es comprimeix fins al màxim, mitjançant làsers d’alta potència o feixos iònics, una petita gota de combustible fins que fusiona i s’estén. Aquest darrer sistema de confinament no ha avançat gaire a causa del fort secretisme militar de les investigacions que no ha permès compartir la informació a nivell internacional. Actualment, el millor sistema de confinament del plasma és el tokamak, un dispositiu de confinament magnètic en forma de dònut i envoltat d’imants que retenen el plasma calent en el seu interior.

Per tal de calentar el gas del reactor i portar-lo a l’estat de plasma s’utilitzen diversos mètodes amb corrents elèctrics elevats i amb radiofreqüències i microones d’alta potència. Els combustibles hi són injectats a gran velocitat. Un cop s’assoleix la condició de fusió, l’heli produït manté la temperatura del plasma als nivells requerits.