> Grupo de apoyo sobre Fusión Nuclear |
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1.
La Fusión como fuente de Energía. La Fusión
Nuclear es una reacción exoenergética de dos núcleos atómicos. La
energía de la reacción proviene del defecto de masa entre los núcleos
reaccionantes y los núcleos y partículas resultantes de la reacción.
La conversión de energía viene directamente definida por la famosa
ecuación de Einstein E = m×c2.
Para que una reacción de Fusión pueda tener lugar entre dos núcleos
atómicos, éstos se deben acercar lo suficiente. Esto supone vencer la
fuerza de repulsión coulombiana entre los dos núcleos, que como es
conocido, se escala como la inversa de la distancia entre las cargas al
cuadrado. Debido a las distancias microscópicas que se necesitan para
que la reacción nuclear tenga lugar, las fuerzas de acercamiento de los
núcleos deben ser enormes. Para
hacerse una idea de la magnitud de las fuerzas involucradas a la fusión,
basta con alzar la vista en un día soleado. El Sol es el reactor de
Fusión que nos pone como ejemplo el Universo. Debido a su gran masa
(principalmente Hidrógeno), se producen unas fuerzas gravitatorias
enormes, lo que produce una elevada densidad, presión y temperatura en
su interior. La temperatura es lo suficientemente elevada como para que
los electrones queden liberados de las fuerzas que los unen a los núcleos
positivos por fuerzas coulombianas. Este estado de la materia es lo que
se denomina plasma. Las altas densidades hacen que los núcleos se
encuentren lo suficientemente cercanos, y junto con la elevada energía
cinética, que permite que en los choques parte de la energía se emplee
en vencer la repulsión coulombiana, hace que las reacciones de Fusión
sean posibles. En el caso del Sol, la reacción de Fusión más común
es la siguiente: |
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Para poder utilizar
la Fusión nuclear como fuente energética, en primer lugar se deben
elegir otros núcleos reaccionantes, pues el ciclo de los protones es
muy lento. En el caso de utilizar isótopos de hidrógeno como núcleos
a fusionar (el Deuterio y el Tritio), la probabilidad de la reacción
aumenta considerablemente. La reacción que se utiliza para conseguir
energía de la fusión es por lo tanto: H2
(D)+ H3(T) —>
He4 + n + 18 MeV |
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Las condiciones de
temperatura y densidad necesarias para alcanzar la fusión con
este tipo de combustible son menores que las necesarias en el Sol. Cada
reacción nuclear da lugar a 17,6 MeV de energía, lo que supone una
energía específica de 8.6×105
MJ/g. Esta energía específica es la más alta conocida, tanto en energía
nuclear como en energía química. La facilidad de obtener el
combustible (tanto el deuterio, de forma natural, como el tritio, como
resultado de la captura del neutrón de fusión por núcleos de Litio),
y las reservas amplísimas de estos materiales, hacen de la fusión
nuclear una solución a los problemas energéticos de la humanidad en el
futuro. “Sólo” queda conseguirlo. El problema de la
fusión es el mantener un plasma confinado el suficiente tiempo y a las
condiciones necesarias de temperatura y densidad como para que se lleve
a cabo la fusión la la mayor parte de combustible posible. Uno de los
principales problemas a la hora de trabajar con plasmas es su capacidad
de expansión. Por su propia naturaleza, los plasmas tienden a
difundirse muy rápidamente, separándose las partículas unas de otras
a gran velocidad, disminuyendo la densidad y la temperatura de las partículas
de una forma muy rápida. Es necesario, por lo tanto, confinar el
plasma. En el caso del sol, es la fuerza gravitatoria la que consigue
mantener confinado el plasma. Además, debido a las altas temperaturas
del plasma, el contacto de éste con cualquier vasija o envoltorio
provocaría la erosión de las paredes, y la consiguiente contaminación
del plasma. Esto supondría un incremento de las pérdidas de radiación,
y una mayor temperatura del plasma para conseguir fusión. El plasma,
por lo tanto, no puede estar en contacto con ningún sólido. En el caso
de las aplicaciones a escala terrestre, existen dos tecnologías
investigadas en la actualidad en paralelo (aunque no son las únicas),
que permiten este confinamiento del plasma.
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Figura 3.- Partículas del plasmas moviéndose helicoidalmente a lo largo de las líneas del campo magnético. |
Para ello, se han de
generar unos campos magnéticos (de orden de Teslas) denominados
toroidales y poloidales, que mantienen el plasma confinado en el toro.
Cuando ambos campos magnéticos se generan mediante arrollamientos
exteriores, se denomina una configuración de Stellerator. Cuando sólo
es el campo magnético toroidal el que se genera mediante los imanes
exteriores, y el poloidal es generado por la propia corriente eléctrica
que forma el plasma en su camino toroidal, la configuración se denomina
Tokamak. En el caso del ITER, la configuración adoptada es la de
Tokamak. Una
vez confinado el plasma en la configuración toroidal, hay que cederle
energía para alcanzar las altas temperaturas de ignición necesarias
para producir la fusión. En el caso del confinamiento magnético, las
densidades alcanzada en el plasma son relativamente bajas (muy
inferiores al estado sólido), del orden de 1014 iones/cm3.
La temperatura del plasma se debe elevar hasta unos
46 millones de grados, (la denominada temperatura de ignición,
alcanzada la cual, la potencia de Fusión es superior a la que se pierde
por radiación.) Para elevar el plasma a estas temperaturas, se utilizan
técnicas de radiofrecuencia, inyección de neutros, etc. La segunda tecnología
para alcanzar la fusión se denomina Fusión por Confinamiento
Inercial. En este caso, en lugar de tener plasmas de baja densidad,
alta temperatura y alto tiempo de confinamiento, se tienen plasmas de
alta densidad, baja temperatura, y muy bajo tiempo de confinamiento. El
blanco de fusión, donde está contenido el combustible, es generalmente
esférico, y tiene unas dimensiones milimétricas. Si se ilumina la
superficie exterior de dicho blanco con un láser lo más uniformemente
posible, se produce un proceso de ablación del material de la
superficie del blanco. Por la conservación de la cantidad de
movimiento, o lo que es lo mismo, por efecto cohete, se produce una
compresión del blanco hasta muy altas densidades (del orden de 100 y
hasta 1000 veces la densidad normal del combustible.) Esto da lugar a
altas temperaturas en el interior del blanco. 2.
El
Proyecto ITER. ITER es un proyecto
de largo alcance que tiene como objetivo la demostración de que se
puede construir y operar un reactor de fusión que tenga como objetivo
la producción de energía. Aunque restringido a un nivel experimental,
ITER debe contener todas las características de un futuro reactor de
Fusión comercial. Una vez que el diseño
del ITER ha quedado prácticamente finalizado, queda una de las
decisiones más complejas del proyecto, como es la elección final del
emplazamiento. Los países que forman parte del diseño del nuevo ITER
son los países de Europa, Canadá, Rusia y Japón. En la actualidad, se
han reincorporado al proyecto países como EEUU, y por vez primera,
China. En este momento, hay cuatro posibles emplazamientos para ITER.
Clarington, en Canadá, Cadarache en Francia, Rokkasho-mura en Japón, y
Vandellós en España, por orden alfabético. El país que finalmente
logre se elegido como lugar de construcción del ITER, deberá asumir un
importante porcentaje del costo total del proyecto. La fase de
construcción será de 10 años, con un coste de 4750 millones de euros.
Se prevé una duración de la fase de operación de 20 años, dando
lugar a un coste total del proyecto de unos 10.300 millones de euros. La decisión final
del emplazamiento está en espera de una decisión por parte de Europa.
La Unión Europea decidió presentar una única candidatura a la elección
final del emplazamiento. Es decir, el primer paso es elegir entre
Cadarache y Vandellós. |
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Algunos enlaces de interés |
3.
Referencias: 1.- Artículo Revista Science, VOL 301, pág 1456. (2003) 2.-
Iter Site Análisis Group Report, (“King Report”), 03/09/2003. 3.- Página web oficial del ITER. www.iter.org 4.- Página web del Ciemat. www-fusion.ciemat.es 5.- Nuclear Fusion by Inertial Fusion Confinement: A Comprehensive Treatise. G.Velarde, Yigal Ronen, José María Martínez-Val. 6.- Página web NIF. www.llnl.gov/nif
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