Principal K1Project Fusion Power: ¿Una promesa incumplida o un sueño a punto de hacerse realidad?

Fusion Power: ¿Una promesa incumplida o un sueño a punto de hacerse realidad?

Ilustración de Etienne Cipriani

Desde la década de 1950,

producir electricidad a partir de la fusión nuclear ha sido el sueño de muchos científicos y no científicos por igual. Replicando, de forma controlada, la proceso que alimenta el sol, es posible obtener cantidades increíbles de energía de una manera potencialmente segura y ambientalmente limpia. Esto podría resolver muchos de los problemas pasados ​​y presentes relacionados con la seguridad energética y el calentamiento global. Sin embargo, desde hace décadas, la energía de fusión se ha descrito continuamente como una tecnología que estará disponible en 20 a 40 años y todavía sigue siendo solo un sueño. El principal obstáculo se relaciona con la creación de condiciones que permitan que se produzca la fusión de modo que la energía invertida sea menor que la energía extraída de la reacción.

Una reacción de fusión nuclear se caracteriza por la combinación de dos núcleos pequeños para crear un núcleo más pesado. La energía se libera porque la masa de los nucleones resultantes (protones y neutrones) es menor que las masas combinadas de los núcleos iniciales más pequeños. Esto defecto masivo produce una cantidad de energía basada en la ecuación de Einstein E = mc2 y es el resultado de las diferencias en la energía de enlace de los núcleos inicial y final. Esta energía de enlace nuclear es la energía necesaria para dividir un núcleo en sus elementos constituyentes, y es la cantidad en la que un núcleo es más ligero que el total de protones y neutrones individuales que lo constituyen.

Dispositivo toroidal para investigación termonuclear controlada. La Jolla, CA

Es conveniente dividir la energía de enlace de un núcleo por el número total de protones y neutrones que contiene. Esto produce valores de energías de enlace por nucleón , y se pueden trazar como se muestra en la fig. 1. Para que una reacción libere energía, los nucleones iniciales deben tener menos energía de enlace que los nucleones finales. De esta forma, los productos de la reacción son colectivamente menos masivos que los reactivos. Tenga en cuenta que el hierro-56 tiene la energía de enlace más alta por nucleón y que, por lo tanto, la fisión producirá energía para elementos más pesados ​​que el hierro-56. Por otro lado, para elementos más ligeros que el hierro-56, el proceso de fusión produce energía.

Fusión de la velocidad de reacción

Sin embargo, este tipo de reacciones nucleares ocurren solo bajo ciertas condiciones. Para iniciar la fusión, es necesario superar la fuerza eléctrica repulsiva entre los núcleos que resulta de la carga positiva de los protones. Los átomos deben ser muy enérgico y sometido a una gran presión para que comience la interacción. Por supuesto, el grado de calor y presión necesarios para iniciar este proceso depende de los elementos que se utilizan para la fusión. Una mezcla de átomos de deuterio y tritio (D-T), isótopos de hidrógeno con uno y dos neutrones respectivamente, tiene una barrera de energía más baja (que debe superarse para iniciar la fusión) debido a la baja proporción de protones a neutrones de los átomos.

Con el fin de lograr las condiciones necesarias para provocar la fusión y producir energía, actualmente se están investigando dos enfoques principales: Fusión por confinamiento inercial (ICF) y Fusión por confinamiento magnético (MCF).

Construcción en NIF, o Instalación Nacional de Ignición, en Livermore, CA

organizaciones de salud pública cercanas

En el primer caso, ICF, se utilizan para la reacción de fusión pequeños gránulos que pesan alrededor de 10 miligramos y que contienen una mezcla de deuterio y hielo de tritio. Estos gránulos se colocan en un hohlraum, un pequeño objeto de oro que contiene una cavidad. Cuando la luz láser se dirige hacia este objeto, se convierte en rayos X térmicos que aumentan la presión en el exterior de los pequeños gránulos de combustible D-T, el llamado empujador esférico que a menudo está hecho de vidrio o berilio. Después de poco tiempo, la presión y la temperatura son suficientes para que el combustible reaccione y libere energía térmica.

Otro mecanismo ICF se llama transmisión directa. En este proceso, los mismos gránulos se irradian directamente con luz láser, en lugar de colocarse en una cavidad. Esto es más eficiente en términos de transferencia de energía desde el láser al objetivo / combustible. Por lo general, se usa una sola luz láser de alta energía junto con espejos para que el objetivo de combustible, que se coloca dentro de una cámara, reciba luz homogénea en su superficie. A medida que la capa exterior, el empujador, explota, comprime el combustible y provoca ondas de choque que viajan hacia el interior hacia el centro del gránulo, comprimiéndolo y calentándolo hasta que se produce la fusión. En ambos mecanismos ICF el objetivo es producir una condición en la que el proceso de calentamiento provoque una reacción en cadena que lleve a la quema de la mayor parte del combustible. Recientemente, se ha prestado especial atención al enfoque de encendido rápido, en el que el combustible se calienta normalmente y cuando alcanza la densidad máxima, un láser de petavatios secundario altamente energético proporciona un pulso corto en un lado del gránulo. Si esta técnica tiene éxito, nos permitirá iniciar el proceso de fusión utilizando cantidades menores de energía en comparación con el mecanismo original.

'Una de las ventajas de la fusión es que existe una muy baja probabilidad de que ocurra un accidente ... '

Una de las dificultades del enfoque ICF es que para que este mecanismo funcione correctamente, es necesario obtener una cápsula de combustible muy suave y precisa en la que la mezcla D-T no interactúe excesivamente con el empujador. El componente combustible debe estar cerca de una esfera perfecta, de modo que las ondas de choque puedan encender los átomos correctamente en el centro de la cápsula. Además, es necesario calibrar los rayos láser para que la energía se distribuya de forma homogénea en toda la superficie del objetivo. Si bien la fabricación de combustible ha mejorado enormemente en los últimos años, se deben realizar más investigaciones para las tecnologías láser.

El segundo enfoque de fusión, MCF, utiliza grandes campos magnéticos para confinar los iones y electrones cargados eléctricamente que componen el plasma caliente en el que se produce la fusión. Este tipo de confinamiento funciona mejor en configuraciones toroidales (en forma de rosquilla) y, como ICF, con combustible deuterio-tritio. Los prometedores dispositivos Tokamak, Stellator y Reversed Field Pinch (RFP) utilizan este tipo de disposición.

En particular, La tecnología Tokamak está siendo investigada intensamente y parece tener un gran potencial. Este tipo de dispositivo está siendo investigado gracias a CHORRO (Joint European Torus), el Tokamak existente más grande del mundo. Uno nuevo, ITER , se encuentra actualmente en construcción en Cadarache, Francia.

Plataforma Tokamak Gyrotron

Como todos los Tokamaks, ITER utilizará una combinación de dos campos magnéticos para confinar y estabilizar el plasma. La fuerte campo toroidal de aproximadamente 11,8 Tesla serán proporcionados por dieciocho bobinas de campo toroidal que rodearán la cámara en forma de rosquilla y funcionarán con cables superconductores que se mantienen fríos con helio líquido. La campo poloidal más débil será producido por la corriente en el plasma mismo y por seis imanes colocados fuera de las bobinas de campo toroidal. Estos dos campos magnéticos evitarán que el plasma toque las paredes de la cámara, manteniendo así la estabilidad del plasma evitando que se enfríe y sea 'envenenado' por los materiales de las paredes de la cámara toroidal. Esta estabilidad mejorará la fusión en el plasma ultracaliente y se obtendrá electricidad al convertir la energía cinética de los neutrones producidos en la reacción.

En general, ITER tiene como objetivo producir 500 MW de potencia a partir de una inversión de 50 MW. Si esto ocurriera, sería claramente un gran éxito para la comunidad científica internacional involucrada en estos esfuerzos: sería la primera demostración de un reactor de fusión que produce energía neta. Este logro también allanaría el camino para la comercialización de esta tecnología en un futuro próximo. El ITER está programado para completarse en 2019 , lo que implica que la fusión podría utilizarse como método para producir electricidad para el público en 2050.

Este sería un gran hito, considerando que vivimos en un mundo en el que tanto la población humana como la demanda de energía están aumentando a un ritmo inimaginable. Fusion es una de las soluciones a esta necesidad cada vez mayor de producir electricidad limpia y segura.

Una de las ventajas de la fusión es que existe una muy baja probabilidad de que ocurra un accidente , a diferencia de la fisión. La reacción de fusión ocurre solo en condiciones muy específicas de temperatura y presión, por lo que cualquier daño en el equipo o reactor interrumpiría este delicado equilibrio haciendo que la reacción se detenga.

'Teniendo en cuenta el futuro de la producción de electricidad, parece que la fusión puede ser necesaria para las próximas generaciones'.

La fusión también es más segura que la fisión con respecto a sus subproductos. Un reactor de fusión no produce hidrocarburos / dióxido de carbono; produce helio, un gas inofensivo, y libera algunas cantidades de tritio. Aunque tiene una vida media corta de unos 12 años, el tritio representa una pequeña amenaza radiactiva solo si se inhala o se absorbe. No obstante, se están realizando investigaciones para mejorar la estructura de contención y utilizar una reacción de fusión deuterio-deuterio (D-D) en lugar de un mecanismo deuterio-tritio (D-T). La radiactividad también es limitada, en comparación con la fisión, debido al diseño de la central eléctrica. Después del apagado, un reactor de fusión es radiactivo debido a las colisiones entre el material estructural y los neutrones de alta energía. Dependiendo de los elementos utilizados para construir el reactor, la radiactividad puede ser inicialmente superior a la radiactividad producida por los residuos de fisión nuclear. Sin embargo, para todas las plantas de fusión, los subproductos radiactivos son de corta duración, lo que significa que dentro de un siglo, la radiactividad disminuiría significativamente a niveles comparables a los del carbón y las cenizas.

La fusión también es una fuente de energía sostenible. Los combustibles utilizados no son técnicamente renovables, pero hay reservas increíblemente grandes. Como se indicó anteriormente, los reactores de fusión actuales utilizan principalmente deuterio, un isótopo natural de hidrógeno, y tritio, que se produce principalmente mediante la utilización de litio. Suponiendo que la producción de fusión se mantenga constantemente igual al consumo de electricidad mundial de 1995, las reservas terrestres de litio durarían 3000 años, el litio del agua de mar podría utilizarse durante 60 millones de años y el deuterio, que también se puede utilizar en un sistema de reacción DD. podría proporcionar electricidad para 150 mil millones de años, que es más de 10 veces la edad actual del Universo. .

Considerando el futuro de la producción de electricidad, parece que la fusión puede ser necesaria para las próximas generaciones . Aunque esto requerirá grandes inversiones, la recompensa final es demasiado grande para ignorarla. La ciencia relacionada ciertamente no es simple y aún quedan muchos desafíos por delante, pero lograr electricidad a partir de la fusión parece ahora más factible que nunca.

Otras lecturas:

Bibliografía:

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Tags ITER fusión Energía nuclear

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