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UNIVERSIDAD DE JAÉN
Facultad de Ciencias Experimentales
Grado en Ciencias Ambientales
Trabajo Fin de Grado
Trabajo Fin de Grado
La fusión nuclear en
la actualidad
Alumno: Patricia Expósito Ballesta
Junio, 2017
2
UNIVERSIDAD DE JAÉN
Facultad de Ciencias Experimentales
Grado en Ciencias Ambientales
Trabajo Fin de Grado
Trabajo Fin de Grado
La fusión nuclear en
la actualidad
Alumno: Patricia Expósito Ballesta
Junio, 2017
Mes, Año
3
ÍNDICE
i. Resumen .......................................................................................................... 5
ii. Abstract ............................................................................................................ 5
1. INTRODUCCIÓN A LA FUSIÓN NUCLEAR ..................................................... 7
1.1. Introducción ................................................................................................ 7
1.2. La fusión nuclear ........................................................................................ 8
1.3. Ventajas e inconvenientes ........................................................................ 10
1.4. Antecedentes históricos ............................................................................ 12
2. OBJETIVOS .................................................................................................... 15
3. MATERIAL Y MÉTODOS ................................................................................ 15
4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ........................................................................ 16
4.1. Fusión Nuclear: Resultados Globales ....................................................... 17
4.2. Tipos de confinamiento ............................................................................. 21
4.2.1. Confinamiento magnético .............................................................. 22
4.2.2. Confinamiento inercial ................................................................... 24
4.2.3. Confinamiento gravitatorio............................................................. 27
4.3. Tipos de reactores .................................................................................... 27
4.3.1. Toroidal KAmera MAgnetiK (Tokamak) ......................................... 27
4.3.1.1. Joint European Torus (JET) .............................................. 31
4.3.1.2. International Tokamak Experimental Reactor (ITER) ....... 33
4.3.1.3. Mega Amp Spherical Tokamak (MAST) ........................... 36
4.3.1.4. DEMOstración de generación de potencia (DEMO) ......... 39
4.3.2. Otros diseños toroidales (Stellarator) ............................................ 41
4.4. El problema de los materiales irradiados: (IFMIF) .................................... 44
5. CONCLUSIONES............................................................................................ 47
6. BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................... 48
4
AGRADECIMIENTOS
Llegado a este momento doy las gracias a mis padres y a mi hermano por su
apoyo incondicional, por su esfuerzo, por confiar y creer en mí, permitiendo que
haya llegado hasta aquí.
Gracias a mi abuela por tenerme presente en sus rezos, examen tras
examen, día tras día.
Gracias a Miguel por ser un apoyo fundamental en mí, por su compresión, por
estar a mi lado siempre, gracias por hacer que seamos uno.
Gracias a Tamara por su amistad desde el primer año de carrera, por
nuestras charlas de ánimos en tantos momentos.
Gracias a Francisco José Arroyo Roldán, mi tutor por su dedicación, por
brindarme su ayuda en todo momento y hacer posible que este trabajo haya salido a
la luz.
5
RESUMEN
El objetivo de este trabajo es realizar una amplia revisión bibliográfica para
analizar la evolución de la fusión nuclear a lo largo de los últimos años y su estado
en la actualidad. Para ello se procederá al estudio de las líneas de investigación más
importantes en el campo de fusión nuclear, entre ellos, por ejemplo, el tipo de
confinamiento o el proyecto ITER, con el que se quiere demostrar que esta energía
es viable tecnológicamente. Además de analizar la evolución de estas líneas en los
últimos años, veremos cuáles son los autores de referencia y los países que más
contribuciones tienen en el tema, centrándonos en el papel de España.
Debido a que es una energía muy poco contaminante, a la mayor seguridad
que presenta y a que la cantidad de combustible para generarla es casi ilimitada, la
fusión nuclear podría ser una de las fuentes de energía alternativas para abastecer a
la sociedad humana en un futuro próximo. Aunque aún no se sabe cuándo se
conseguirá producir energía eléctrica neta a partir de la fusión nuclear, según los
científicos, podría ser la única vía para satisfacer las necesidades de la humanidad,
que cada vez demanda más cantidad de energía.
PALABRAS CLAVE
Fusión nuclear; revisión blibliográfica; confinamiento; tokamak; stellarator;
ITER; materiales irradiados
ABSTRACT
The aim of this work is to carry out an extensive bibliographical review to
analyze the evolution of nuclear fusion over the last years and today. In order to do
so, we will study the most important items in the nuclear fusion field, including, for
example, confinement or ITER, the project with which we want to demonstrate that
this energy is technologically viable. As well as to analyze the evolution of these in
the last years, we will study the authors with more contributions in the field, and the
countries that investigate the most, focusing on the role of Spain.
Because it is a very low-polluting energy, the greater security it presents and
the amount of fuel to generate it is almost infinite, nuclear fusion could be one of the
alternative energy sources to supply human society. Although it is not yet known
when it will be possible to produce electric energy from the nuclear fusion, according
6
to scientists, could be the only way to satisfy the needs of humanity that increasingly
demand more energy.
KEYWORDS
Nuclear fusion; bibliographical review; confinement; tokamak; stellarator; ITER;
irradiated materials
7
1. INTRODUCCIÓN
1.1. Introducción
Después de la crisis del petróleo en los años 1973-1974, las naciones del
primer mundo se dieron cuenta de que los recursos energéticos del planeta eran
limitados. Los países empezaron a mostrar interés por otras nuevas fuentes de
energía porque: 1) el petróleo se acabaría tarde o temprano, 2) el desarrollo de la
tecnología implicaba un consumo energético cada vez mayor, y 3) la población
mundial se iba incrementando exponencialmente. Entre estas nuevas fuentes, las
entonces conocidas como energías alternativas (hoy llamadas renovables)
comienzan a tomar cada vez más importancia y dejan de ser, en algunos casos,
meras curiosidades científicas para tener una clara aplicación tecnológica. Podemos
destacar entre ellas la energía solar (tanto térmica como fotoeléctrica),
hidroeléctrica, eólica, geotérmica, y biomasa, entre otras. La energía nuclear
obtenida por la ruptura de núcleos pesados (la fisión nuclear), durante estos años
también tiene un desarrollo muy importante, y proliferan nuevas centrales nucleares.
En la actualidad, la sociedad cada vez está más avanzada, se han creado
necesidades energéticas cada vez mayores y más imprescindibles y, por tanto, la
necesidad de abastecimiento energético es cada vez mayor. Muchos de los
sistemas energéticos actuales tienen duración limitada, además de ser altamente
contaminantes, como el empleo de los combustibles fósiles, que acumulan los
compuestos del carbono en la atmósfera, produciendo el efecto invernadero e
incrementando la temperatura global del planeta. En cambio, las fuentes de energías
renovables, como las mencionadas anteriormente, son fuentes de energía limpias,
pero uno de sus inconvenientes es que no siempre podemos obtener la energía
necesaria en el momento que se demanda, ya que dependen, por ejemplo, en el
caso de la eólica, de las condiciones meteorológicas que se den en ese instante. Es
por ello que hay que pensar en otro modelo complementario de producción de
energía para la demanda energética. Este modelo deberá tener en cuenta el medio
ambiente, ya que los sistemas de producción de energía que tenemos son altamente
dañinos para nuestro planeta por la cantidad de contaminantes que se vierten.
8
La energía nuclear utilizada hoy día (y la más conocida) es la fisión nuclear.
Sin embargo, aunque está bien implantada en muchos países (en España, por
ejemplo, representa casi el 30 % de la energía eléctrica producida), la mayoría de la
sociedad rechaza esta forma de obtención de energía por el peligro que esta
presenta. Por una parte, el miedo a que se produzca un nuevo accidente nuclear
como los producidos en Chernóbil y Fukushima, y, por otra, la peligrosidad de los
residuos radiactivos generados. Estos residuos pueden seguir siendo radiactivos
durante cientos, o incluso miles, de años, por lo que el almacenamiento de dichos
desechos es otro de los problemas difíciles de resolver a día de hoy. En cambio, la
energía nuclear de fusión podría solucionar muchos de estos inconvenientes: mayor
seguridad, reducido impacto ambiental, el combustible utilizado es casi “ilimitado”, y
presenta una baja producción de residuos. Sin embargo, es un sistema que está
todavía en una fase preliminar de desarrollo, pero que es una de las alternativas de
futuro más prometedoras.
1.2. La fusión nuclear
La fusión nuclear es una reacción nuclear en la que dos átomos ligeros, en
general el hidrógeno y sus isótopos (deuterio y tritio) se unen para formar un núcleo
más pesado, helio, en este caso. Esta reacción desprende energía porque la masa
del núcleo más pesado es menor que la suma de las masas de los núcleos más
ligeros. Dada la equivalencia entre masa y energía propuesta por Einstein (
), esta pérdida de masa se transforma en grandes cantidades de energía. La
diferencia fundamental con la fisión nuclear es que, en la fisión, el núcleo pesado se
rompe en núcleos más ligeros.
La fusión nuclear es el proceso que de forma natural tiene lugar en las
estrellas y, por tanto, el responsable, en último término, de la evolución de la vida en
la Tierra. Dependiendo de la masa y del tamaño de las estrellas y gracias a las
fuerzas gravitatorias, los núcleos de hidrógeno son capaces de aproximarse lo
suficiente como para que la fuerza nuclear fuerte (que es de muy corto alcance) sea
capaz de actuar y formar un nuevo núcleo. En su interior se generan núcleos de
helio en diferentes zonas de combustión, y, a su vez, estos nuevos núcleos pueden
9
seguir fusionándose para formar litio, berilio, carbono, oxígeno o, incluso, estos
elementos se transforman en otros más pesados.
Como hemos comentado, para que ocurra la fusión nuclear, los núcleos
cargados positivamente deben aproximarse venciendo las enormes fuerzas de
repulsión eléctrica entre protones. Para vencer estas fuerzas, es necesario que los
núcleos adquieran una gran velocidad, lo que puede suceder cuando la temperatura
del sistema es lo suficientemente elevada. Además, la densidad del plasma
generado debe ser lo bastante grande como para que exista una gran probabilidad
de que los núcleos se encuentren cerca unos de otros y puedan generar las
reacciones de fusión. Estas condiciones (alta temperatura y elevada densidad) se
dan de forma natural en las estrellas. De acuerdo con Ferrer (2015), “para lograr la
fusión termonuclear controlada, y poder extraer energía es necesario traspasar el
punto de ignición, es decir aquél en el que la energía producida es igual a la que se
necesita para mantener la reacción de fusión” (p. 484) [1]. Para conseguir la fusión
nuclear de forma controlada en la Tierra, en primer lugar, hay que conseguir
suministrar a los núcleos ligeros la energía térmica suficiente y poderlos aproximar lo
más cerca posible unos de otros. Por tanto, la condición de cualquier reactor para
producir energía de fusión es confinar el plasma con la densidad y la temperatura
suficientemente alta durante el tiempo necesario, impidiendo que se escapen
partículas y obtener así una ganancia neta de energía útil. Esta ganancia de energía
útil dependerá de que la energía utilizada para calentar y confinar el plasma, sea
menor que la energía liberada por las reacciones de fusión. Estos requisitos para
producir fusión nuclear se conocen como Criterio de Lawson. El confinamiento y no
tener que darle al sistema más energía de la que luego se va a obtener mediante la
fusión, son unos de los mayores retos por solucionar en la actualidad para que este
tipo de energía sea realmente viable.
Las principales reacciones de fusión nuclear son las siguientes:
(1)
(2)
(3)
(4)
10
En la primera reacción el tritio se combina con el deuterio para formar un
núcleo de Helio-4 (o partícula α) y un neutrón y se desprenden 17.6 MeV de energía.
En la segunda reacción dos núcleos de deuterio se fusionan para formar un núcleo
de tritio, un protón y liberar 4.0 MeV de energía. En la tercera reacción se fusionan
dos núcleos de deuterio, se obtiene un núcleo de Helio-3, formado por un neutrón y
dos protones, liberando un neutrón y 3.3 MeV de energía. Y por último en la cuarta
reacción se combinan un núcleo de Helio-3 con un núcleo de deuterio para formar
una partícula alfa, un protón y liberar 18.3 MeV de energía.
Si se juntan las reacciones (1) y (2) se obtendría la conversión de tres
deuterios en una partícula alfa, un neutrón, un protón y 21.6 MeV de energía. Si de
igual modo se juntan las reacciones (3) y (4) se conseguiría la misma conversión
anterior. Cuando en un plasma existe la presencia de núcleos de deuterio, las dos
pares de reacciones pueden ocurrir con la misma probabilidad, pero hasta el
momento no se ha logrado obtener una ganancia neta de energía útil mediante estas
reacciones en condiciones controladas.
1.3. Ventajas e inconvenientes
A grandes rasgos, vamos a señalar las ventajas e inconvenientes que
presentaría la fusión nuclear como sistema de producción de energía:
Ventajas
Los combustibles fósiles constituyen las principales fuentes de energía en la
actualidad, pero su cantidad es limitada y, por tanto, se acabarán en un momento
dado. Además, el uso de estos combustibles genera una emisión a la atmósfera de
una gran cantidad de gases contaminantes muy perjudiciales para el medio
ambiente, principalmente gases de efecto invernadero, como el CO2. La generación
de energía de fusión nuclear permitiría reducir el uso de combustibles fósiles y, con
ello, disminuir las emisiones de gases contaminantes, por lo que se reduciría el
cambio climático y el calentamiento global del planeta. La energía nuclear de fusión
no produce gases nocivos y los residuos radiactivos que genera tienen una
vida media corta, considerándose de muy baja actividad. El resultado de la
reacción de fusión es helio, un gas inerte que no es radiactivo, y, como veremos
después, solamente se producirán residuos radiactivos por la activación de la pared
11
del reactor como resultado de las reacciones con los neutrones que se generan en la
fusión. La fisión nuclear en cambio, genera grandes cantidades de residuos de alta
actividad.
Las energías renovables como la solar, la eólica, marina, etc., son energías
muy limpias con el medio ambiente y aunque son inagotables, dependen siempre de
las condiciones meteorológicas, por lo que no aseguran un abastecimiento completo
en una gran demanda de energía. La energía de fusión en cambio no depende de
las condiciones meteorológicas.
Es una fuente de energía prácticamente inagotable: el deuterio se
encuentra en el agua de mar, a razón de un isótopo 2H por cada 6500 1H, cantidad
suficiente en sistemas de fusión para abastecer a la humanidad más allá de la
duración prevista de nuestro planeta. El tritio, aunque en la naturaleza es escaso, es
fácil de producir a partir de reacciones de captura electrónica con los isótopos del
Litio, bombardeando el Litio con neutrones. El Litio en cambio sí es abundante en la
naturaleza, se puede encontrar en el agua de mar (0.17 ppm) o en la corteza
terrestre (20 ppm), con lo que teniendo en cuenta que las tres cuartas partes del
planeta son agua, hablaremos de energía prácticamente inagotable.
Es una energía muy concentrada, en un gramo de materia se encuentran
miles de millones de átomos, por lo que con poca cantidad de combustible se
genera gran cantidad de energía.
Los reactores de fusión serían completamente seguros: si en algún
momento se paraliza el suministro de combustible o se produce una pequeña
desviación en el plasma, se provocará un enfriamiento o una pérdida de
confinamiento, con lo que la reacción de fusión se paralizaría rápidamente y no sería
posible una reacción en cadena.
Inconvenientes
El desafío de este modelo de producción de energía para poder hacerlo viable
y solucionar la demanda energética de la humanidad en los próximos años, es la
dificultad de calentar y confinar el plasma a temperaturas tan altas para
mantener los núcleos el tiempo suficiente para conseguir la fusión y la producción de
energía.
12
Las estructuras que rodean al plasma se volverán radiactivas por el
bombardeo de neutrones provenientes de la reacción nuclear. Llewellyn (2005)
señala que se estima que las vidas medias de estos elementos serán de
aproximadamente unos 10 años, y que después de 100 años el 50% de ellos se
vuelven completamente inactivos, mientras que el resto pueden ser reciclados y
usados en la fabricación de una nueva central [2]. Incluso según qué materiales
sean utilizados, esta radiactividad puede ser todavía más baja (este es uno de los
campos de investigación que estudiaremos en este trabajo).
Otro inconveniente de la fusión es el alto coste de construcción de las
centrales.
1.4. Antecedentes históricos
Los primeros estudios sobre la energía de fusión nuclear se sitúan en torno a
1929 cuando Atkinson y Houtemans desarrollan la posibilidad de obtener energía a
partir de reacciones de fusión nuclear. Pero es a partir de la Segunda Guerra
Mundial cuando se plantean los conceptos y la aplicación de la energía nuclear. Es
con autores como Hans Bethe, Enrico Fermi, Robert Oppenheimer, Edward Teller, y
algunos más cuando se empezó a desarrollar la fusión nuclear en el año 1942.
El primer experimento oficial sale a la luz en 1951 por el General Perón, quien
comunica que el físico alemán Richter había logrado en su laboratorio de la isla de
Huemul, en Argentina, reacciones termonucleares controladas. Estados Unidos,
Inglaterra y la Unión Soviética comenzaron también a investigar cada vez más sobre
fusión nuclear. Es en el proyecto Sherwood donde Estados Unidos recoge los
primeros conocimientos y avances tecnológicos que permitirán el desarrollo de
nuevos conceptos en este campo. La primera reunión para hablar del proyecto
Sherwood tuvo lugar en Denver, Colorado en abril de 1952, en esta reunión se
recogieron las ideas de futuro para este proyecto.
En 1956, J.V. Kurchatov debatió en una conferencia sobre la posibilidad de
crear reacciones termonucleares en una descarga gaseosa. Lawson presenta en
1957 un trabajo en el que se instalan las condiciones esenciales para que en un
dispositivo se alcance la fusión.
13
Promovida por las Naciones Unidas, tiene lugar en el año 1958 la primera
reunión con investigadores de fusión en Ginebra, la Conferencia Atómica por la Paz,
para debatir las aplicaciones pacíficas de la fusión nuclear y compartir la
investigación en este campo. Habría que destacar la mención del Dr. H.H. Bhabha,
en la que comentaba la posibilidad real de conseguir energía de fusión nuclear como
aprovechamiento en menos de 20 años. La Unión Soviética proclama haber
construido el mayor dispositivo de fusión, dirigido por J.V. Kurchatov en el instituto
moscovita.
La primera Conferencia Internacional sobre Física del Plasma y Fusión
Nuclear Controlada tiene lugar en Salzburgo, en el año 1961. En esta reunión se
debatieron las investigaciones que se habían dado hasta la fecha. Fue también a
partir de los años 60 cuando se presentó el concepto de confinamiento inercial. J.
Nuckolls (EEUU) y N. Basov (URSS) desarrollaron en 1961 un sistema mediante el
que se podía obtener reacciones de fusión nuclear mediante altas compresiones
provocadas por la cesión de energía láser. Así, crecieron nuevos programas
secretos en Rusia y EEUU, a los que después se unió Francia. En cambio,
Alemania, Japón, EEUU (Rochester) e Italia desarrollaron programas abiertos.
Los progresos continúan y se muestran resultados esperanzadores en la 2º
Conferencia Internacional sobre Física del Plasma y Fusión Nuclear Controlada en
1965, en Culham, Gran Bretaña, donde Artsimovich informa sobre los resultados
obtenidos en las investigaciones sobre el tokamak (Toroidal KAmera MAgnetiK),
aunque había sido presentado conceptualmente con anterioridad en 1958.
En 1968, el Premio Nobel N. Basov anunció la obtención de altas
temperaturas de ignición y de la producción de neutrones en las reacciones de
fusión nuclear empleando láseres. Es por esto que se disponía de aparatos en
construcción y operación bajo el concepto tokamak: TFR (Francia), T-4 y T-11
(URSS), ALCATOR y ORMAK (EEUU), demás aparatos como T-10 (URSS), PLT
(EEUU), DITE (GB), ASEDX (RFA) y FRASCATI (EURATOM-Italia) empezaron a
construirse.
En la década de los 70 se empezaron a publicar las primeras publicaciones
sobre FCI (Fusión Nuclear por Confinamiento Inercial). Los principales
14
investigadores en EEUU fueron Brueckner, Nuckolls, Kidder y Clark. N. Basov y su
equipo consiguieron en Rusia el experimento más avanzado.
Numerosos sistemas utilizando láser permitieron avanzar en la investigación
de la fusión nuclear. Algunos de ellos son: NOVA (40 kJ, EUUU), OMEGA (30 kJ),
GEKKO-XII (10 kJ, Japón), PHEBUS (3 kJ, Francia), VOLCAN (UK), ISKRA-5
(Rusia). A partir de estos sistemas, se desarrollaron dos grandes proyectos para
demostrar elevadas ganancias. Estos proyectos fueron: National Ignition Facility
(NIF) en EEUU y Laser Megajoule (LMJ) en Francia.
Aparte del láser, existen otros proyectos con iones ligeros como ANGARA y
PROTO (Rusia), PBFA-I y PBFA-II (EEUU). Se investigó que los electrones y los
haces de iones ligeros y pesados pueden llegar a producir energía de fusión nuclear
por confinamiento inercial. Pero en el caso de los iones pesados no hay
experimentos por lo que no se puede hablar sobre resultados.
A partir de los años 90, proyectos de tipo tokamak como JET (EURATOM),
TFTR (EEUU) y JT-60 (Japón) consiguieron una visible potencia. El JET consiguió
con una mezcla de Deuterio (90%) y Tritio (10%) en 1991, una potencia de 16 MW.
En 1993, el TFTR con una mezcla de D-T al 50% llegó hasta los 6 MW, alcanzando
unas temperaturas de 30 keV. Sin embargo, en el calentamiento se gastaron 29
MW. En la actualidad, el TFTR está clausurado. Se han conseguido producir hasta
12 MW de potencia en reacciones de fusión nuclear controladas hasta la fecha
durante más de un segundo (JET, 1997) y se cree en la posibilidad de que con los
avances tecnológicos y las investigaciones actuales sea posible llegar al rango
comercial de cientos de MW de forma mantenida.
En España la investigación en FCM (Fusión Nuclear por Confinamiento
Magnético) se ha desarrollado en el CIEMAT (Centro de Investigaciones
Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas). En el año 1983 se pone en marcha
la primera instalación de fusión nuclear el tokamak TJ-I.
A partir de entonces se ha estado avanzando constantemente sobre fusión
nuclear hasta que en 1994 sale a luz el primer dispositivo de fusión nuclear en
España: el stellarator TJ-I, que años más tarde, concretamente en 1999, fue
entregado a la Universidad de Kiel cuando entró en funcionamiento el TJ-II. El TJ-II
es uno de los tres dispositivos stellarators más avanzados del mundo junto con el
15
alemán Wendelstein 7-AS del Instituto Max Planck en Munich y el japonés LHD de la
Universidad de Nagoya. Con el dispositivo TJ-II se avanzó notablemente en la
investigación en la fusión nuclear.
En la actualidad, el proyecto que más interés suscita es la construcción del
ITER (International Tokamak Experimental Reactor), con la participación de un gran
número de países, incluyendo el nuestro. Este tema será uno de los puntos más
importantes de esta revisión y en el que profundizaremos más adelante.
2. OBJETIVOS
El objetivo de este trabajo es estudiar cuál es el estado actual de la
investigación de la fusión nuclear, analizando la evolución del número de
publicaciones sobre este campo durante los últimos años. En particular, se
analizarán los tres aspectos que consideramos más importantes, como son el tipo de
reactor, el tipo de confinamiento, y el problema de los materiales irradiados. De
forma complementaria, destacaremos la participación española en cada una de
estas líneas de investigación, los autores más prolíficos, así como las revistas en las
que se han publicado estos resultados.
3. MATERIAL Y MÉTODOS
Se realizó una búsqueda bibliográfica para identificar todas las publicaciones
que hablan de fusión nuclear. El análisis se realizó con la base de datos Web of
Science (WOS), debido a que es de las mejores en este campo.
El acceso a WOS es proporcionado a través de la plataforma de la
Universidad de Jaén. El funcionamiento de WOS consiste en la introducción de
campos de las palabras clave que queremos buscar, marcando también el campo de
búsqueda (Tema, Título, Autor, Identificadores de Autores, Editor, etc.), junto con la
selección del período de tiempo deseado para delimitar la búsqueda.
Las palabras clave con las que se han hecho las búsquedas en este trabajo
han sido las siguientes:
Para las búsquedas globales o generales: nuclear fusion, fusion power.
16
Para analizar el tipo de reactor: Tokamak, Joint European Torus, ITER, Mega
Amp Spherical Tokamak, DEMO, Stellarator
Para el confinamiento: magnetic confinement, inertial confinement
Para el problema de los materiales irradiados: IFMIF
Se ha delimitado el tiempo desde 2000 a 2015 para ver la evolución anual en
todas las búsquedas de palabras claves. En un principio se pensó en hacer las
búsquedas hasta 2016, pero los resultados cambiaban a menudo porque la base de
datos se actualizaba continuamente, cada pocos días, al ir incorporando los artículos
correspondientes a las últimas semanas de dicho año.
El campo de búsqueda elegido para los distintos términos ha sido Tema, que
busca las palabras introducidas en los títulos, resúmenes y palabras clave de las
publicaciones.
Las búsquedas para el término de fusión nuclear son el resultado de combinar
los campos de búsqueda con cada una de las palabras clave anteriores con el
operador OR. De esta manera conseguiríamos saber inequívocamente que las
publicaciones encontradas versaban sobre fusión nuclear (esto fue necesario porque
al introducir como palabra clave nuclear fusion, se obtenía como resultado un
número muy grande de artículos de otras ramas del conocimiento, como, por
ejemplo, de Biología). Además del estudio anual realizado de 2000 a 2015, la
búsqueda de este término se ha extendido también de 1950 a 2000 para ver la
evolución de publicaciones por décadas.
Dentro de cada búsqueda de cada término escogido analizaremos el número
de publicaciones de cada uno de los términos mediante la evolución anual, los
autores más importantes, los países con mayor participación y las revistas más
relevantes en el campo de la fusión nuclear.
Para la realización de este trabajo se ha contado, además, con la información
disponible en libros de la biblioteca de la Universidad de Jaén y en las páginas webs.
4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
En este bloque presentaremos la evolución por años del número de
publicaciones que tratan, de forma global, sobre Fusión Nuclear, así como de cada
17
uno de los tres aspectos que hemos considerado más relevantes en este tema, y
que más interés científico/tecnológico presentan, es decir, el tipo de reactor, el tipo
de confinamiento, y los materiales irradiados. Cuando entremos a valorar cada uno
de estos apartados, realizaremos una breve introducción teórica sobre cada ítem,
para facilitar su lectura e interpretación.
4.1. Fusión Nuclear: Resultados Globales
La fusión nuclear ha despertado un interés creciente en la comunidad
científica como se desprende del número de artículos publicados en la segunda
mitad del siglo XX.
1951-1960 1961-1970 1971-1980 1981-1990 1991-2000
0
5000
10000
15000
20000
FUSIÓN NUCLEAR 1950-2000
PU
BLIC
AC
ION
ES
AÑOS
Gráfica 1. Evolución del número de artículos sobre fusión nuclear, por décadas.
En la gráfica 1 se muestra como la cantidad de publicaciones sobre este tema
presenta un crecimiento casi exponencial a lo largo de las distintas décadas, desde
1950 al 2000, teniendo su máximo en la última década analizada con 19600
publicaciones. El total de artículos de investigación en estos 50 años ha sido de
unos 37400.
18
21,5%
0,9%
2,6%
3,7%
3,8%
3,9%
6,2%10,3%
11,4%
35,9%
USA
JAPAN
UK
GERMANY
ITALY
FRANCE
RUSSIA
FED REP GER
SPAIN
RESTO
FUSIÓN NUCLEAR 1950-2000
Gráfica 2. Porcentaje de publicaciones sobre fusión nuclear en países, por décadas.
Con respecto a la contribución de cada país, en la gráfica 2 vemos que
Estados Unidos, Japón y Reino Unido han sido los países que más investigaron
sobre este tema. El resto de países tuvo una aportación menor. Cabe destacar que
la aportación española en fusión nuclear fue de un 0,9% durante esta segunda mitad
del siglo XX, una de las aportaciones más pequeñas. Afortunadamente, como
podremos comprobar más adelante, esta situación mejoró considerablemente con la
llegada del siglo XXI.
Los autores más relevantes en estos cincuenta años, según el número de
publicaciones encontradas han sido los que se muestran en la Tabla 1.
AUTORES PUBLICACIONES
TAYLOR G 195
BURRELL KH 183
ITOH K 181
MURAKAMI M 176
VON GOELER S 176
CONN RW 160
ITOH SI 158
BUDNY RV 153
Tabla 1. Autores con mayor número de publicaciones en fusión nuclear, desde el
año 1950 al 2000.
19
El primero de ellos, G. Taylor ha desarrollado su investigación en la
Universidad de Princenton en Estados Unidos, mientras que K.H. Burrel lo hizo en
General Atomics & Affiliated Companies, también en Estados Unidos, y K. Itoh en
el Instituto Nacional de Ciencias de la Fusión en Japón.
Finalmente, las tres revistas que más artículos publicaron fueron: Nuclear
Fusion (3268 artículos), Journal of Nuclear Materials (2226), y Fusion Technology
(1922). La calidad de estas revistas está más que contrastada. La primera de ellas
tuvo un factor de impacto en 2015 de 4.04 y pertenecía al primer cuartil, la segunda
presentaba un 2.2, pero era la segunda de 32 en su categoría. Finalmente, la última
de ellas está algo peor considerada, perteneciendo al segundo cuartil y con un factor
de impacto menor que uno.
Una vez analizado lo que sucedió al final del siglo pasado, buscaremos la
información correspondiente a fusión nuclear, pero durante el siglo XXI. Y lo
haremos de una forma más detallada, anualmente desde el año 2000 al año 2015:
2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014
1600
1800
2000
2200
2400
2600
2800
3000
3200
3400
3600
FUSIÓN NUCLEAR 2000-2015
PU
BLIC
AC
ION
ES
AÑOS
Gráfica 3. Evolución anual del número de publicaciones sobre energía de fusión
nuclear desde el año 2000 al año 2015.
En la gráfica 3 se muestra, en general, un crecimiento progresivo del número
de trabajos, aunque con altibajos en algunos años. Cabe destacar que el total de
publicaciones en los 15 años es de 41824, unas pocas más del total de
20
publicaciones en la gráfica 1 en 50 años, con lo que podemos concluir que cada vez
se investiga y se publica más sobre esta forma de producción de energía.
27%
2,9%
5,4%
5,5%
6,5%7,6%
8,5%
9,2%
10,7%
16,6%
USA
GERMANY
UK
JAPAN
FRANCE
PEOPLES R CHINA
CHINA
ITALY
SPAIN
RESTO
FUSIÓN NUCLEAR 2000-2015
Gráfica 4. Porcentaje de publicaciones sobre energía de fusión nuclear en países
desde el año 2000 al año 2015.
Respecto al porcentaje de publicaciones por países, Estados Unidos sigue
estando en cabeza como en la gráfica 2, le siguen Alemania y Reino Unido. Es de
destacar, sin embargo, que todo se ha igualado más en este periodo. Por ejemplo,
EE.UU representaba antes el 35 % de todas las publicaciones y ahora sólo un 16.6
%. Es más que destacable el caso español, con un aumento muy significativo en el
porcentaje: se ha pasado de un mísero 0,9 % en el caso anterior, a un más que
meritorio 2,9 %.
Los autores con mayor número de publicaciones en estos últimos años son:
21
AUTORES PUBLICACIONES
IDA K 292
WAN BN 291
PHILIPPS V 288
LIU Y 275
TANAKA K 265
YAMADA H 264
BREZINSEK S 246
MAINGI R 243
Tabla 2. Autores con mayor número de publicaciones en fusión nuclear desde el año
2000 al 2015.
El investigador K. Ida destaca por trabajar en el Instituto Nacional de Ciencias
de la Fusión en Japón, B.N. Wan en la Academia de Ciencias de China en la
República Popular China y V. Philipps en el Centro de Investigación de Julich, en
Alemania.
Las revistas más destacadas en estos 15 años son:
- Fusion Engineering and Design, con 5374 publicaciones, tiene un factor de
impacto en el año 2015 de 1.301 y un factor de impacto en 5 años de 1.232. Se
encuentra en la posición sexta de 32 en su categoría, por lo que se encuentra en
el primer cuartil.
- Physics of Plasmas con 3818 publicaciones muestra un factor de impacto de
2.207 para el año 2015 y un factor de impacto en 5 años de 2.116. En su
categoría se encuentra en la posición 11 de 32, en el segundo cuartil.
- Nuclear Fusion con 3375 publicaciones, que ya fue comentada previamente.
4.2. Tipos de confinamiento
Una de las partes más importantes de la fusión nuclear es cómo confinamos
el plasma para que en una porción de espacio lo más pequeña posible, tenga
probabilidad de chocar unos núcleos con otros una vez alcanzada la energía térmica
necesaria.
La finalidad de la fusión controlada en la fusión nuclear es conseguir la
ignición, es decir, mantener la reacción nuclear del plasma únicamente con la
aportación de energía de los productos de fusión. En la bibliografía los tres tipos de
22
confinamiento que podemos encontrar son: confinamiento magnético, confinamiento
inercial y confinamiento gravitacional.
4.2.1. Confinamiento magnético
Consiste en tratar de aislar a un plasma que se encuentra a temperaturas de
cientos de millones de grados, con una presión elevada, mediante campos
magnéticos, de forma que los choques entre las partículas se produzcan por
agitación térmica. Al estar el plasma a altas temperaturas, el combustible se disocia
en partículas con cargas positivas y negativas, que por la aplicación de campos
magnéticos se mueven a grandes velocidades siguiendo un movimiento helicoidal a
lo largo de las líneas de campo. La fuerza magnética de las partículas cargadas,
hará que se produzcan las colisiones entre ellas por efecto túnel, el fenómeno de la
mecánica cuántica por el que una partícula viola los principios de la mecánica
clásica y penetra una barrera de potencial mayor que la energía cinética que posee
la propia partícula. De esta forma se evita que el plasma ocupe todo el espacio libre
debido a las colisiones entre las partículas. Este tipo de confinamiento es el más
utilizado en reactores tokamaks y stellarators, que posteriormente analizaremos.
Seguidamente, veremos la evolución del ítem confinamiento magnético en los
últimos años.
2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014
50
60
70
80
90
100
110
120
CONFINAMIENTO MAGNÉTICO
PU
BLIC
AC
ION
ES
AÑOS
Gráfica 5. Evolución anual del número de artículos sobre el término confinamiento
magnético, desde el año 2000 al año 2015.
23
En la gráfica 5 contamos con un número total de 1367 publicaciones a lo largo
de los 15 años del estudio, un número bastante bajo si lo comparamos con el
número de publicaciones totales de la gráfica 3. Se pueden apreciar las continuas
desviaciones en el tiempo, en concreto en el año 2013, en el que al parecer se dejó
de publicar bastante sobre el tema con un fuerte descenso a, únicamente, 58
publicaciones. Desde el año 2013 al final del estudio se observa un crecimiento
llegando a su máximo de publicaciones en los 15 años analizados.
28,5%
3,8%
5,3%
5,5%6%6,5%
6,6%
7%
8,7%
22%
USA
GERMANY
FRANCE
JAPAN
UK
RUSSIA
ITALY
PEOPLES R CHINA
SPAIN
RESTO
CONFINAMIENTO MAGNÉTICO
Gráfica 6. Porcentaje de publicaciones sobre confinamiento magnético en países
desde el año 2000 al año 2015.
De la gráfica 6 seguimos destacando la influencia de Estados Unidos ahora
en el campo del confinamiento magnético, además de Alemania y Francia con mayor
número de publicaciones que el resto. En este caso, España aumenta su porcentaje
de publicaciones al 3,8%.
Los autores que publican más en confinamiento magnético son:
24
AUTORES Nº PUBLICACIONES
HIDALGO C 18
UD-DOULA A 15
KAITA R 12
SKOVORODA AA 11
MURARI A 11
TOWNSEND RHD 10
PETIT V 10
BOSTAN M 9
Tabla 3. Autores con mayor número de publicaciones en confinamiento magnético
desde el año 2000 al 2015.
El investigador más prolífico en este campo es el español Carlos Hidalgo, que
trabaja en el Laboratorio Nacional de Fusión – Ciemat, en Madrid, un experto a nivel
mundial sobre física nuclear y física de plasmas. Por otra parte, A. Ud-Doula trabaja
en la Universidad de Pensilvania y Robert Kaitar en la Universidad de Princeton,
ambas en Estados Unidos.
Las revistas con mayor número de publicaciones en este ámbito son las
siguientes: Nuclear Fusion con 85 publicaciones y Physics of Plasmas con 79
artículos.
4.2.2. Confinamiento inercial
A diferencia del confinamiento magnético, el confinamiento inercial trata de
fusionar los núcleos tan rápido como sea posible para que no tengan tiempo de
dispersarse. El confinamiento inercial comprime esferas de combustible mediante la
utilización de láser o de haces de iones pesados con grandes densidades. Las
microcápsulas de combustible son bombardeadas por el haz de láser a alta
potencia, y las partículas de su interior comienzan a formar un plasma, aumentando
de esta manera la energía en el reactor. El combustible se calienta rápidamente,
comprimiendo el plasma a temperaturas y densidades muy elevadas hasta alcanzar
los Criterios de Lawson, y por tanto se pueda desencadenar la reacción nuclear y
liberar energía.
A continuación veremos el número de publicaciones de confinamiento inercial
en estos últimos años:
25
2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014
160
180
200
220
240
260
280
300
320
340
360
CONFINAMIENTO INERCIAL
PU
BLIC
AC
ION
ES
AÑOS
Gráfica 7. Evolución anual del número de artículos sobre el término confinamiento
inercial, desde el año 2000 al año 2015
A diferencia de la gráfica 5, en la gráfica 7 observamos un crecimiento
constante a partir del año 2005 hasta el año 2015, con la excepción de una brusca
subida en el año 2013 (que coincide con el brusco descenso que habíamos
observado al usar el término confinamiento magnético). Según el número de
publicaciones, podemos considerar que la investigación sobre confinamiento inercial
presenta un mayor interés en la comunidad científica que el confinamiento
magnético, siendo, por tanto un campo de investigación más novedoso y
prometedor. Podemos observar que el número de publicaciones totales sobre este
campo es de 4132, es decir, 3 veces más publicaciones que en confinamiento
magnético.
26
12,8%
3%3,1%
4,3%
5,4%
7,1%
8,6%9,3%
10,3%
36,1%
USA
PEOPLES R CHINA
FRANCE
CHINA
UK
JAPAN
RUSSIA
GERMANY
SPAIN
RESTO
CONFINAMIENTO INERCIAL
Gráfica 8. Porcentaje de publicaciones de confinamiento inercial en países desde el
año 2000 al año 2015.
Con respecto a la contribución de cada país, en la gráfica 8 se muestra como
Estados Unidos investiga en confinamiento inercial con un porcentaje mayor que el
visto anteriormente en confinamiento magnético. Francia y la República Popular
China son los dos siguientes países con mayor aportación. En el caso de España, se
mantiene como en el caso anterior de confinamiento magnético con un porcentaje
muy parecido del 3%.
En este caso los autores con mayor número de publicaciones son:
AUTORES Nº DE PUBLICACIONES
SANGSTER TC 197
MEYERHOFER DD 187
LANDEN OL 160
STOECKL C 144
FRENJE JA 138
PETRASSO RD 135
GLEBOV VY 128
LI CK 126
Tabla 4. Autores con mayor número de publicaciones en confinamiento inercial
desde el año 2000 al 2015.
27
Los autores T.C. Sangster y D.D. Meyerhofer desarrollan su investigación en
la Universidad de Rochester, mientras que O.L. Landen lo hace en el Departamento
de Energía del Laboratorio Nacional de Lawrence, Livermore, en Estados Unidos.
Llama la atención que en confinamiento magnético y confinamiento inercial no
tengan entre los autores que más investigan en su campo ningún autor en común, al
menos entre los más prolíficos.
Para finalizar, las revistas con mayor número de publicaciones son: Physics of
Plasmas, con 659 publicaciones y Fusion Science and Technology, con
299 publicaciones. Esta última revista presenta un factor de impacto de 0.799 en el
año 2015, y un factor de impacto para 5 años de 0.68. Se encuentra en el tercer
cuartil con una clasificación en la categoría de 22 de 32.
4.2.3. Confinamiento gravitatorio
Este tipo de confinamiento gravitatorio es el que ocurre en el interior de las
estrellas de forma natural. Se basa en el confinamiento de las partículas por el
campo gravitatorio de las estrellas generado por ellas mismas. La gravedad confina
las partículas en un espacio limitado para que se produzcan las reacciones de
fusión. En la Tierra no se disponen de sistemas de generación de campos
gravitatorios tan fuertes, por lo que no es posible utilizar este tipo de confinamiento.
4.3. Tipos de reactores
A continuación, analizaremos los tipos y diseños de reactores más habituales, como
son el Tokamak (y sus versiones construidas o en construcción más importantes) y
el Stellarator.
4.3.1. Toroidal KAmera MAgnetiK (Tokamak)
El término tokamak es un acrónimo ruso que significa (cámara toroidal con
bobinas magnéticas). Es una máquina experimental que ha sido diseñada para
producir energía de fusión y funciona por confinamiento magnético. Es una cámara
de vacío en forma de anillo (Figura 1).
28
Figura 1. Esquema de un tokamak.
Fuente: http://www.savoir-sans-
frontieres.com/JPP/telechargeables/ESPANOL/ITER_espagnol/ITER_es.pdf
Gracias a campos magnéticos, el plasma se consigue mantener confinado
lejos de la cámara de vacío. El tubo del tokamak se encuentra enrrollado, por lo que
el campo magnético para lograr la fusión nuclear es continuo. En el corazón del
tokamak el gas hidrógeno se calienta a grandes temperaturas y elevadas presiones
y se transforma en plasma.
Dos campos magnéticos diferentes son necesarios para realizar el
confinamiento en este dispositivo. El campo magnético toroidal se crea gracias a las
bobinas toroidales situadas dentro del dispositivo. En cambio, el campo magnético
poloidal se crea cuando se hace pasar una corriente inducida en el plasma en
dirección toroidal. Esta corriente es impulsada por las bobinas poloidales que
ejecutan el circuito primario y el propio plasma es el circuito secundario. Los campos
poloidal y toroidal interactúan produciendo las líneas deseadas de campo magnético.
Estas líneas tienen forma helicoidal a lo largo del dispositivo, por lo que las
29
partículas circulan por las zonas interiores y exteriores del dispositivo confinando el
plasma.
Al ser generado por una corriente alterna, el campo magnético puede no
mantenerse continuo, por lo que pueden ocurrir disrupciones, es decir, la
temperatura del plasma bajaría bruscamente, la energía se disiparía y se perdería el
confinamiento del plasma, con lo que la reacción se pararía inmediatamente.
El número de publicaciones con el término tokamak a lo largo de los años lo
hemos representado en la gráfica 9:
2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014
1000
1200
1400
1600
1800
2000
2200
2400
TOKAMAK
PU
BLIC
AC
ION
ES
AÑOS
Gráfica 9. Evolución anual del número de artículos sobre el término tokamak, desde
el año 2000 al año 2015
En la gráfica 9 podemos observar como el progreso del tokamak a pesar de
tener algunas etapas descendentes es creciente a lo largo del tiempo, con un
máximo en todo el estudio de 2251 publicaciones en el año 2015. Podemos decir
que a pesar de que el concepto de reactor tokamak es relativamente antiguo (de los
años 60, aproximadamente), se sigue investigando de forma activa y creciente sobre
el mismo (en total se han encontrado más de 26000 publicaciones entre los años
2000 y 2015).
30
27,5%
2,6%
5,4%
5,6%6,5%7,6%
8,1%
10,5%
11,2%
15%
USA
GERMANY
UK
JAPAN
FRANCE
PEOPLES R CHINA
CHINA
ITALY
SPAIN
RESTO
TOKAMAK
Gráfica 10. Porcentaje de publicaciones de tokamak en países desde el año 2000 al
año 2015.
En cuanto a los países que más investigan en este tipo de reactor, se
encuentran en cabeza Estados Unidos, Alemania y Reino Unido, los mismos que
veíamos en la gráfica 3 de fusión nuclear en los últimos 15 años. Respecto al ámbito
español, España cuenta con un 2,6% de aportaciones en tokamak.
En la tabla 5 se presentan los autores más prolíficos en este campo:
AUTORES Nº PUBLICACIONES
WAN BN 291
IDA K 287
PHILIPPS V 256
LIU Y 249
TANAKA K 244
YAMADA H 241
MAINGI R 237
GARBET X 233
Tabla 5. Autores con mayor número de publicaciones en el término tokamak desde
el año 2000 al 2015.
Los autores con mayor número de publicaciones en tokamak coinciden con
los autores en fusión nuclear para los años 2000-2015, mientras que las dos revistas
más importantes son Fusion Engineering and Design y Nuclear Fusion con 4029 y
3123 publicaciones, respectivamente.
31
A continuación, nos centraremos en el estudio de diseños concretos (algunos
en uso de forma experimental, otros en construcción y otros como proyecto en el
futuro) basados en el concepto tokamak.
4.3.1.1. Joint European Torus (JET)
En la actualidad, el JET es el tokamak más grande del mundo y usa en su
funcionamiento el deuterio y tritio que se utilizará en las futuras centrales nucleares
comerciales. Se encuentra en Oxfordshire, Inglaterra. El objetivo del JET es
conseguir confinar los plasmas y estudiarlos en condiciones parecidas a las que
tendrá un reactor real en el futuro. Este dispositivo consiguió su mejor registro en
1991 produciendo 16 MW de potencia de fusión para una entrada de 22.8 MW de
potencia. Su construcción finalizó en 1983, y, aunque se consiguieron muy buenos
resultados, el JET fue cerrado en 2004, para mejorar su diseño y poder llegar a
conseguir una potencia de hasta 40 MW.
2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014
25
30
35
40
45
50
55
60
JET
PU
BL
ICA
CIO
NE
S
AÑOS
Gráfica 11. Evolución anual del número de artículos sobre el término JET, desde el
año 2000 al año 2015
En la gráfica 11 observamos un rápido descenso del número de publicaciones
en el año 2004, debido al cierre comentado previamente. El resto de los años la
evolución se mantiene constante con subidas y bajadas, pero es en los últimos años
de la quincena, en 2011, 2013 y 2015 cuando se publica la menor cantidad de
publicaciones. Esto puede deberse a que la investigación se centre en la actualidad
32
en dispositivos como ITER y DEMO. El JET cuenta con un número global de 581
publicaciones.
19,2%
3,2%
3,8%
4,6%
4,8%
6,7%8%8,3%
10,7%
30,7%
UK
ITALY
USA
GERMANY
FRANCE
SWEDEN
PORTUGAL
SWITZERLAND
SPAIN
RESTO
JET
Gráfica 12. Porcentaje de publicaciones del JET en países desde el año 2000 al año
2015.
En la gráfica 12 se muestra como Reino Unido (pasa a encabezar el ranking
por dónde está construido este reactor), Italia y Estados Unidos son los principales
países en la investigación del JET. España por su parte tiene un porcentaje de 3,2%.
Sobre los autores con mayor número de artículos sobre el JET se encuentran:
AUTORES Nº DE PUBLICACIONES
MURARI A 52
SHARAPOV SE 32
CONROY S 30
ZASTROW KD 30
TESTA D 27
JOFFRIN E 25
SARTORI F 25
GORINI G 23
Tabla 6. Autores con mayor número de publicaciones en JET desde el año 2000 al
2015.
A. Murari y S.E. Sharapov han trabajado en el Centro de Ciencias de Culham,
en Inglaterra y S. Conroy en la Universidad de Upsala, en Suecia. Las revistas
33
Physics of Plasmas y Fusion Engineering and Design son las que mayor relevancia
tienen en este campo, al igual que en la búsqueda que hicimos anteriormente de
fusión nuclear desde el año 2000 a 2015, pero en este caso con 89 y 86
publicaciones.
4.3.1.2. Internacional Tokamak Experimental Reactor (ITER)
El proyecto estrella sobre fusión nuclear, sin ninguna duda, y a nivel mundial,
es el proyecto ITER. Será el tokamak más grande del mundo, está diseñado para
aprovechar la energía de fusión y generar energía eléctrica. Está siendo construido
en Cadarache, Francia por un consorcio del Programa Marco de Investigación de
Euratom (UE + Suiza), Japón, Rusia, Estados Unidos, India, China y Corea del Sur.
Pesa 110 toneladas y sus medidas son de 14 metros de alto y 9 metros de ancho
(Figura 2).
Su objetivo es demostrar la viabilidad científica y tecnológica de la energía de
fusión como fuente de energía y producir al menos 500 MW de potencia, partiendo
de una entrada de 50 MW de potencia, es decir, 10 veces más potencia de la que
consume. Se espera que la temperatura que alcance el reactor para confinar el
plasma sea de 150 millones de grados centígrados. Cada una de las 18 bobinas con
las que el ITER producirá energía medirán 13 metros de alto y 9 metros de ancho
con un peso de 300 toneladas aproximadamente. De las 18 bobinas, 10 de ellas se
fabrican en Europa (produciendo una más de recambio), y 9 en Japón. El ITER se
parecerá mucho al JET, pero será el doble en tamaño lineal, con un radio de plasma
de 6,2 m y un volumen de plasma de 830 m3.
34
Figura 2. ITER, Cadarache, Francia.
Fuente: http://www.sciencemag.org/news/2015/11/iter-fusion-project-take-least-6-
years-longer-planned.
El ITER cuenta con un presupuesto inicial de unos 4.500 millones de euros,
que podrían llegar a triplicarse. Europa se hará cargo de casi la mitad del coste de la
producción de este proyecto y los demás países miembros del consorcio costearán
el resto a partes iguales. El tiempo aproximado de su construcción es de 10 años y
se espera que se mantenga en funcionamiento durante 20 años.
Desde 2007, se sitúa en Barcelona la sede de la Agencia Europea de Fusión
(Fusion for Energy, F₄E) donde se administra el presupuesto de inversiones para el
ITER. En esta sede participarán aproximadamente 300 personas y tendrá un
presupuesto de más de 30 millones de euros a lo largo de 35 años.
35
2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014
200
400
600
800
1000
1200
ITER
PU
BL
ICA
CIO
NE
S
AÑOS
Gráfica 13. Evolución anual del número de artículos sobre el término ITER, desde el
año 2000 al año 2015
Podemos estimar el interés que suscita este proyecto a través del número de
publicaciones que incorporan este término (gráfica 13). Una tendencia claramente
ascendente en el transcurso de los años, lo que ha dado lugar a un total de 11492
publicaciones. Sólo en el año 2015 se registraron 1200 artículos de investigación
con este término.
26,3%
3,8%
4,7%
4,9%
7,5%7,6%
9,6%
10,3%
12%
13,4%
GERMANY
FRANCE
UK
USA
ITALY
JAPAN
PEOPLES R CHINA
RUSSIA
SPAIN
RESTO
ITER
Gráfica 14. Porcentaje de publicaciones de ITER en países desde el año 2000 al
año 2015.
36
Dado que es un proyecto a nivel mundial, es muy significativo el hecho de que
las publicaciones están muy repartidas entre los distintos países, como puede
observarse en la gráfica 14. Alemania, Francia y Reino Unido son los países más
destacables en este campo, aunque con poca diferencia con el resto. Por otra parte,
si tomamos el conjunto de Europa, sí que domina esta área de trabajo frente a
Estados Unidos y Japón. Es de destacar el hecho de que España tiene un
porcentaje del 3,8%, que pone de manifiesto el importante papel que nuestro país
tiene en este proyecto.
En el proyecto ITER, los 8 autores con mayor número de publicaciones son
los que aparecen en la Tabla 7:
AUTORES Nº PUBLICACIONES
LOARTE A 171
PHILIPPS V 163
BREZINSEK S 150
SAIBENE G 131
BRUZZONE P 130
SAKAMOTO K 129
MEROLA M 123
MITCHELL N 115
Tabla 7. Autores con mayor número de publicaciones en ITER desde el año 2000 al
2015.
A. Loarte ha trabajado en la Organización del ITER, en Francia, V. Philipps ya
ha sido mencionado antes al introducir el término tokamak, y S. Brezinsek investiga
en el Centro de Investigación Julich, en Alemania. Las revistas que publican mayor
número de artículos son Fusion Engineering and Design con 2903 publicaciones y
Nuclear Fusion con 1078.
4.3.1.3. Mega Amp Spherical Tokamak (MAST)
El Tokamak Esférico Mega Ampere es un reactor que se localizará en el
Centro Culham, en Reino Unido, a partir del 2017, y como mejora del previo START
(Small Tight Aspect Ratio Tokamak). Se trata de un diseño esférico con forma de
manzana a diferencia de la forma de rosca que tienen los tokamaks comunes.
Los científicos apuestan por este tipo de diseños que crean plasmas de altas
presiones, son más económicos y más eficaces a la hora de producir energía de
fusión, además de que aportan información muy valiosa para el diseño del ITER.
37
Una de las diferencias fundamentales es que el MAST tiene más pequeño el
agujero que se encuentra en el centro del tokamak. Este agujero es el encargado de
sujetar y moldear el plasma, y en los tokamaks habituales la abertura es el doble de
grande. Esta diferencia estaría muy relacionada con la forma en la que se comporta
el plasma dentro del tokamak. Se está estudiando en la actualidad la posibilidad de
construir una planta FNSF (Fusion Nuclear Science Facility), con este tipo de diseño
esférico, que pruebe la viabilidad de producir energía de fusión. Esta planta
analizaría el comportamiento de las paredes del reactor al bombardear los neutrones
en ella, además de que sería capaz de producir tritio por cada uno que consuma en
la reacción de fusión, lo que quiere decir que podría autoabastecerse.
Otras de las ventajas que produciría este nuevo diseño sería la configuración
longitudinal en el campo magnético, es decir, se habla de un divertor que
minimizaría el calor que podría ser el causante de originar daños en las paredes
internas del tokamak.
2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014
0
2
4
6
8
10
12
MEGA AMP SPHERICAL TOKAMAK
PU
BLIC
AC
ION
ES
AÑOS
Gráfica 15. Evolución anual del número de artículos sobre el término MAST, desde
el año 2000 al año 2015
En la gráfica 15, se representa el número de artículos publicados en función
del año. Claramente, dado el escaso número de publicaciones encontradas hasta la
fecha, es un concepto que está en fase de desarrollo, aunque en los dos últimos
años su número haya superado la decena. Es de esperar que una vez terminada su
construcción aumenten considerablemente los trabajos publicados.
38
13,2%
0,5%2,4%2,8%
2,8%
3,3%
3,3%
4,2%
5,2%
62,3% UK
USA
SWEDEN
FRANCE
GERMANY
JAPAN
NETHERLANDS
IRELAND
SPAIN
RESTO
MAST
Gráfica 16. Porcentaje de publicaciones de MAST en países desde el año 2000 al
año 2015.
Aunque no sea demasiado significativo, y por ser coherentes con el resto del
trabajo, vemos que según la gráfica 16 el Reino Unido tiene un porcentaje de
participación muy superior al resto de países, ya que el reactor se encuentra allí. Les
sigue Estados Unidos y Suecia. España en este caso se encuentra con un
porcentaje del 0,5%, el más pequeño visto hasta ahora de la influencia española en
fusión nuclear.
Los autores con mayor número de artículos publicados sobre este nuevo
diseño son los que aparecen en la tabla 8:
AUTORES Nº PUBLICACIONES
KIRK A 24
CUNNINGHAM G 14
MEYER H 12
AKERS RJ 11
FIELD AR 11
SHIBAEV S 10
VALOVIC M 10
WALSH MJ 10
Tabla 8. Autores con mayor número de publicaciones en MAST desde el año 2000
al 2015.
39
Los tres primeros investigadores desarrollan su actividad en el Centro
Científico de Culham, en Inglaterra. Los artículos se han publicado,
fundamentalmente, en Plasma Physics and Controlled Fusion, con 16 publicaciones,
que tiene un factor de impacto de 2.404 en el año 2015 y un factor de impacto para 5
años de 2.228, encontrándose en el segundo cuartil dentro de su categoría, y en
Fusion Engineering and Design con 14 publicaciones.
4.3.1.4. DEMOstración de generación de potencia (DEMO)
En un futuro próximo, después de estudiar científica y tecnológicamente la
completa viabilidad del ITER, se prevé la construcción del primer reactor operativo
de demostración, que produzca energía eléctrica y que demuestre la viabilidad de
una central de fusión nuclear. De este modo se obtendría de forma comercial, una
evaluación técnica y económica de esta nueva fuente de energía.
Como aún no se ha desarrollado el ITER, no está clara cuando será la
construcción del DEMO.
2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014
0
20
40
60
80
100
DEMO
PU
BLIC
AC
ION
ES
AÑOS
Gráfica 17. Evolución anual del número de artículos sobre el término DEMO, desde
el año 2000 al año 2015
Sin embargo, como se pone de manifiesto en la gráfica 17, el número de
publicaciones sobre este tema se ha disparado en los últimos años, lo que
demuestra el enorme interés que este proyecto presenta. Han sido encontradas un
40
total de 366 publicaciones en los 15 años, pero es de destacar que sólo en el último
año se han realizado casi un cuarto de ellas. DEMO se encuentra a la espera de su
construcción por lo que se puede observar que está en continua investigación.
17,3%
3,8%
3,8%
4,6%
4,9%
8,6%
9,6%9,7%
16,7%
21%
GERMANY
UK
ITALY
JAPAN
FRANCE
SPAIN
RUSSIA
SOUTH KOREA
USA
RESTO
DEMO
Gráfica 18. Porcentaje de publicaciones de DEMO en países desde el año 2000 al
año 2015.
Respecto a los países más implicados en DEMO, podemos señalar a
Alemania, Reino Unido e Italia con un mayor porcentaje en publicaciones. Cabe
destacar en este caso, España que con un porcentaje del 4,9% se sitúa en sexta
posición a nivel mundial.
En la tabla 9 se exponen los autores con mayor número de publicaciones:
AUTORES Nº PUBLICACIONES
TOBITA K 31
NORAJITRA P 17
UTOH H 16
ASAKURA N 15
LI-PUMA A 14
NAKAMURA M 13
FEDERICI G 12
SOMEYA Y 12
Tabla 9. Autores con mayor número de publicaciones en DEMO desde el año 2000
al 2015.
41
De entre ellos, K. Tobita y H. Utoh trabajan en la Agencia de Energía Atómica
de Japón y Prachai Norajitra en el Instituto de Tecnología de Karlsruhe, en
Alemania. Las revistas donde se publican estos resultados están encabezadas por
Fusion Engineering and Design, con 183 publicaciones y Fusion Science and
Technology, con 37 artículos.
4.3.2. Otros diseños toroidales (STELLARATOR)
El stellarator (Figura 3) es, al igual que el tokamak, un dispositivo toroidal,
pero la diferencia es que, en el stellarator, el campo magnético polodial se genera a
través de bobinas exteriores, y no a partir de la corriente eléctrica inducida por el
propio plasma, como sucede en los dispositivos tokamak.
Los conductores eléctricos helicoidales, situados alrededor de la cámara de
vacío, son los que crean el campo magnético que atrapan las partículas del plasma.
Al generarse el campo magnético por bobinas exteriores, produce el riesgo de que
una pequeña desviación en la construcción del dispositivo haga que el plasma no se
confine.
En un dispositivo tokamak el diseño es más sencillo que en un dispositivo
stellarator, por lo que los reactores stellarators necesitan de mayor trabajo de
construcción. Sin embargo, una ventaja de este tipo de reactor es que su
funcionamiento puede ser continuo, no existe ninguna corriente inducida como en el
tokamak. Esta ausencia de corriente en el plasma hace que no haya riesgo de
disrupciones, permitiendo un mayor control que en los tokamaks. Por tener la
ventaja de poseer un funcionamiento continuo, los stellarators podrían sustituir a los
tokamaks en un futuro.
42
Figura 3. Esquema de un stellarator.
Fuente: http://www.rusadas.com/2012/03/energia-de-fision-energia-de-fusion.html
2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
STELLARATOR
PU
BL
ICA
CIO
NE
S
AÑOS
Gráfica 19. Evolución anual del número de artículos sobre el término stellarator,
desde el año 2000 al año 2015
En la gráfica 19 se muestra como la evolución anual en el número de artículos
con el término stellarator es muy parecida al que vimos en el caso del tokamak
(gráfica 9), aunque con un número menor de publicaciones globales, en concreto
21594. Al igual que en la gráfica 9, a pesar de tener períodos con bajadas bruscas,
el stellarator ha ido evolucionando y se ha ido investigando cada vez más sobre él.
43
27,2%
3%
5,2%
5,8%6,2%7,5%
8%
10,9%
11,7%
14,6%
USA
GERMANY
UK
JAPAN
FRANCE
PEOPLES R CHINA
CHINA
ITALY
SPAIN
RESTO
STELLARATOR
Gráfica 20. Porcentaje de publicaciones de stellarator en países desde el año 2000
al año 2015.
Con respecto a los países con más publicaciones en estos años (gráfica 20),
encabeza la lista Estados Unidos, Alemania y Reino Unido. Por otro lado, España
tiene un porcentaje de 3%, similar al que alcanzó usando el término tokamak.
La tabla 10 resume los autores que más participan en publicaciones
relacionadas con stellarator:
AUTORES Nº DE PUBLICACIONES
WAN BN 262
IDA K 256
YAMADA H 238
TANAKA K 232
LIU Y 223
PHILIPPS V 214
MORITA S 212
MAINGI R 204
Tabla 10. Autores con mayor número de publicaciones en stellarator desde el año
2000 al 2015.
Los autores B.N. Wan y K. Ida ya han sido mencionados en apartados
anteriores. Por otra parte, el investigador H. Yamada ha trabajado en el Instituto
Nacional de Ciencias de la Fusión en Japón y en la Universidad de Posgrado de
Estudios Avanzados, en este mismo país. Las revistas que publican mayor número
44
de artículos también coindicen con las revistas que más publican sobre tokamak.
Fusion Engineering and Design y Nuclear Fusion son las principales con 3533 y
2829 publicaciones, respectivamente.
4.4. El problema de los materiales irradiados: (IFMIF)
Como hemos señalado en la primera parte de este Trabajo Fin de Grado,
aunque los productos de la fusión nuclear no son radiactivos, sí que los materiales
que forman la estructura del reactor se pueden volver radiactivos al ser
bombardeados por los neutrones que surgen de la reacción nuclear de fusión. Por
ello, es esencial descubrir cuáles serían los mejores materiales que deberían usarse
en su construcción, materiales que sean capaces de resistir flujos de neutrones de
alta intensidad para utilizarlos en la primera pared del reactor.
La Instalación Internacional de Irradiación de los Materiales de Fusión (IFMIF)
es una instalación de prueba de los materiales, en la que una fuente de neutrones
que usa reacciones deuterio-litio produce un gran flujo de neutrones con un espectro
semejante al previsto en la pared de un reactor de fusión. El objetivo del IFMIF es
conocer el comportamiento de los materiales, para la construcción del reactor de
fusión nuclear. Por esto, el proyecto IFMIF junto con el ITER, son los dos proyectos
más importantes en el Programa Europeo de Fusión. Se prevé que el coste del
IFMIF sea de unos 750 millones de euros.
45
2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014
0
10
20
30
40
50
60
70
80
IFMIF
PU
BLIC
AC
ION
ES
AÑOS
Gráfica 21. Evolución anual del número de artículos sobre el término IFMIF, desde
el año 2000 al año 2015
El número de publicaciones con IFMIF en el campo de búsqueda (gráfica 21)
nos muestra subidas y bajadas a lo largo de la quincena de años con un total de 522
publicaciones. Cabe destacar una brusca subida en el año 2011 con 72 artículos
publicados. La investigación sobre el IFMIF parece estar estancada en los últimos
años del estudio, posiblemente hasta que finalice su construcción y pueda ponerse
en funcionamiento.
46
11,4%
1,9%3,7%
3,7%
6,8%
8,2%
8,6%11,4%
20,9%
23,3%
JAPAN
GERMANY
SPAIN
ITALY
UK
FRANCE
RUSSIA
USA
CZECH REPUBLIC
RESTO
IFMIF
Gráfica 22. Porcentaje de publicaciones de IFMIF en países desde el año 2000 al
año 2015.
En cuanto a los países participantes (gráfica 22), llama la atención que
España se encuentre entre los tres países con mayor número de publicaciones con
un porcentaje de 11,4%, junto con Japón y Alemania. Esto es debido a que España
es uno de los pilares de este proyecto dado que participa en dos aspectos
fundamentales: por un lado, en el diseño y validación de los modelos que se
utilizarían en la instalación definitiva y, por otro, lo hará también en su fase de
construcción, bajo el acuerdo bilateral entre la Unión Europea y Japón. Además,
España (en particular, Granada) pugna con Polonia por albergar el IFMIF-DONES,
un acelerador de partículas que pueda poner a prueba los materiales a usar en los
futuros reactores de fusión. Es razonable, por tanto, que los autores con más
publicaciones hasta la fecha sean, sobre todo japoneses y europeos (tabla 11):
47
AUTORES Nº DE PUBLICACIONES
IDA M 60
FISCHER U 59
IBARRA A 52
SUGIMOTO M 52
NAKAMURA H 50
KONDO H 48
HEINZEL V 45
ARBEITER F 44
Tabla 11. Autores con mayor número de publicaciones en IFMIF desde el año 2000
al 2015.
M. Ida ha trabajado en la Agencia de Energía Atómica de Japón, U. Fischer
en el Instituto de Tecnología de Karlsruhe en Alemania, mientras que el español A.
Ibarra es el Jefe de la División de Tecnologías para la Fusión, CIEMAT y Líder
Europeo del Proyecto IFMIF-DONES en EUROfusion.
Fusion Engineering and Design, con 242 publicaciones y Journal of Nuclear
Materials, con 69 artículos de investigación, son las revistas que más trabajos tienen
sobre IFMIF.
5. CONCLUSIONES
Como conclusión general de la revisión realizada, podemos destacar que la
investigación sobre fusión nuclear, a lo largo de los 15 años analizados, se
encuentra en un periodo ilusionante y de gran crecimiento, como se desprende de la
gran cantidad de artículos publicados y de los proyectos que hay actualmente en
marcha. A pesar de que puedan quedar muchos años hasta que veamos en
funcionamiento el primer reactor de fusión nuclear, en términos generales, los
progresos realizados en este campo son cada vez mayores. Si a esto sumamos las
ventajas que esta energía presenta respecto a las energías convencionales, y su
viabilidad puede ser demostrada, podríamos estar ante la energía del futuro para el
abastecimiento humano.
Como conclusiones particulares, podemos ver que, con respecto al tipo de
confinamiento, el inercial es el que más publicaciones registra. Respecto al tipo de
reactor, ambos diseños (tokamak y stellarator) presentan números similares,
mientras que el proyecto ITER claramente es un referente en la actualidad.
48
Por último, la influencia española sobre la investigación en fusión nuclear, es,
aproximadamente, del mismo orden en cada uno de los ítems buscados, aunque
cabe resaltar cómo ha ido creciendo paulatinamente a lo largo de los años. Sin
embargo, donde mayor participación española encontramos es en confinamiento
magnético, ITER, DEMO e IFMIF. Esto puede deberse a que estos 4 ítems están
relacionados con la investigación y el estudio del ITER, el cual tiene un gran aporte,
tanto económico como científico, de Europa, además de encontrarse en Barcelona la
Agencia Europea de Fusión (Fusion for Energy, F₄E), donde se controlan las
inversiones para el ITER. Este es uno de los principales motivos por el cual España
ha tenido un notable ascenso de investigaciones en fusión nuclear en los últimos
años.
6. BIBLIOGRAFÍA
Referencias bibliográficas:
[1] Ferrer Soria, Antonio (2015) Física nuclear y de partículas. Valencia:
Universitat de València, D.L.
[2] C. H. Llewellyn Smith (2005) Prospects for Fusion. Nuclear Physics A, 751,
442-452.
Libros consultados:
Herman, Robin (1993) Fusión: la búsqueda de la energía eterna. Madrid [etc.]:
MacGraw-Hill, D.L.
Pelardo, M. y Velarde, G. (1984) La fusión nuclear: (principios y tecnología).
Madrid: E.T.S. de Ingenieros Industriales.
White, Harvey E. (1970) Introducción a la física atómica y nuclear. Madrid:
Ediciones del Castillo, D.L.
Páginas webs consultadas:
http://www.foronuclear.org/es/
https://www.iter.org/
http://www.ifmif.org/
http://www.ccfe.ac.uk/
https://www.euro-fusion.org
49
https://www.iaea.org/
http://www.fusion.ciemat.es/inicio/
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/NucEne/fusion.html#c1
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/NucEne/lawson.html
http://inin.gob.mx/temasdeinteres/fusionnuclear.cfm
http://www.europapress.es/ciencia/laboratorio/noticia-apuestan-diseno-
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http://www.tdx.cat/bitstream/handle/10803/6598/01Capitulo01.pdf?sequence=
1
http://www.tdx.cat/bitstream/handle/10803/6598/05Capitulo05.pdf;jsessionid=0
79E23ED4C719A1CE7476F1398429116?sequence=5
http://www.greenpeace.org/espana/Global/espana/report/nuclear/el-sol-es-el-
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http://comunidad.eduambiental.org/file.php/1/curso/contenidos/docpdf/capitulo
13.pdf
http://www.abc.es/ciencia/abci-iman-mas-poderoso-mundo-generara-campo-
magnetico-millon-veces-tierra-201705231139_noticia.html