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ENERGÍA NUCLEAR DE FUSIÓN
ENERGÍA NUCLEAR DE FUSIÓN
Origen (1)
Su origen se encuentra en la fusión de dos núcleos atómicos para dar lugar a la aparición de otro núcleo más pesado, pero algo menos que la suma de los dos iniciales.
Esa diferencia se transforma en energía, según la conocida expresión
E=m·c2.
Para que una reacción de fusión pueda tener lugar se precisa acercar lo suficiente los dos núcleos atómicos a unir, lo que implica vencer las fuerzas de repulsión culombiana, que a estas escalas resultan ser muy grandes.
La combinación de elevada presión, eleva densidad y eleva temperatura en una sustancia conduce a que los electrones queden liberados de los núcleos y se alcanza un estado de la materia denominado “plasma”. En estas condiciones, la cercanía de los núcleos, además de su elevada energía cinética (temperatura muy alta), permite vencer la repulsión culombiana y hacer posible las reacciones de fusión.
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Origen (2)
El Sol (y todas las estrellas) es un enorme reactor de fusión, formado principalmente por H2, que al unirse entre sí, forman átomos de helio (He), (un átomo de He tiene una masa algo menor que los dos de H2), liberando una gran cantidad de energía, de acuerdo con la expresión:
41H + 2e → 4He + 21n + 6 fotones +26MeV
Para que esta reacción pueda tener lugar se precisa una presión de 108 bares (posible dada la enorme masa del Sol, y las consecuentes fuerzas gravitatorias), una temperatura de 107ºK (>100 millones de ºC) y una densidad de 104ºKg/m3.
(En el sol, cada segundo, 564 millones de Tn de H2 se transforma en 560Tn de He, con una temperatura de 20 millones de ºC y presiones de 100.000 millones de atmósferas)
ENERGÍA NUCLEAR DE FUSIÓN
Origen (3)
La reacción Deuterio-Tritio es la más fácil de conseguir, puesto que requiere temperaturas relativamente más bajas (el deuterio es muy abundante en la naturaleza, encontrándose en un concentración de 30g/m3 en el agua del mar; sin embargo el tritio no se encuentra en estado natural, y se produce en una reacción nuclear a partir del litio natural, que sí es abundante en la naturaleza)
En la reacción, los neutrones fisionan el litio en helio y tritio, para posteriormente fusionarse al deuterio y el tritio y formar helio, liberando un neutrón y gran cantidad de energía.
MeWnHeHH
MeWnHHenLi
17
5.214
231
21
131
42
173
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Origen (4)
La reacción Deuterio-Deuterio es más difícil de conseguir.
En esta se produce helio y un neutrón, o también, tritio y un protón.
MeWnHeHH 2.3132
21
21
MeWpHeHH 431
21
21
También
ENERGÍA NUCLEAR DE FUSIÓN
Origen (5)
La reacción Deuterio-tritio reacción y la reacción Deuterio-Deuterio
ENERGÍA NUCLEAR DE FUSIÓN
Potencial Energético
Tanto el deuterio como el tritio son sustancias muy abundantes en la Tierra.
1m3 de agua de mar contiene 1025 átomos de Deuterio, con una masa de 34,4gr. y una energía de 8x1012 julios. (Equivale a 300Tn de carbón o 1.500 barriles de petróleo)
Ello significa que 1Km3 de agua de mar equivale a 300.000 millones de Tn de carbón o 1.500 millones de barriles de petróleo. Como los océanos tienen 1.500 millones de Km3 de agua, el empleo de 1% del deuterio del océano equivale a 500.000 veces la energía de todos los combustibles fósiles existentes.
En cuanto al tritio, puede obtenerse a partir de la fusión de los átomos de litio, cuyas reservas también pueden considerarse ilimitadas
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Formas de aprovechamiento y Reservas
Formas de aprovechamiento
La única forma de aprovechamiento es producir calor y evaporar agua, para su posterior conversión en energía mecánica mediante una turbina de vapor y de estas, finalmente, obtener energía eléctrica.
La formación de 1kg de He a partir de H2 libera una energía equivalente a 27.000Tn de carbón.
Reservas
Pueden considerarse, a efectos prácticos, ilimitadas.
ENERGÍA NUCLEAR DE FUSIÓN
Tecnología de la energía de fusión (1)
La tecnología de fusión se encuentra aún en fase “preexperimental”. El problema radica primero en la producción del plasma (lo que requiere un considerable aporte energético) y luego mantenerlo confinado el tiempo suficiente, y en las condiciones de presión, temperatura y densidad, para que las reacciones de fusión puedan iniciarse y mantenerse.
Dada la tendencia del plasma a difundirse (separándose los núcleos unos de otros a gran velocidad), es necesario confinarlo en un espacio cerrado de donde no pueda escaparse. Además, debido a las altas temperaturas, el plasma no puede tocar las paredes de la vasija de confinamiento, no sólo porque provocaría la destrucción de las paredes, sino porque mucho antes de que esto ocurriera, la erosión de la misma contaminaría el plasma, haciéndole literalmente desaparecer.
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Tecnología de la energía de fusión (2)
Existen en la actualidad dos tecnologías (probadas) para la confinación del plasma: el “confinamiento magnético” y el “confinamiento inercial”.
En el confinamiento magnético, las partículas de plasma (cargadas positivamente) se mantienen en una trayectoria toroidal por medio de un campo magnético del orden de varias Teslas (100.000 veces más intenso que el campo magnético terrestre)
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Tecnología de la energía de fusión (3)
Una vez confinado el plasma hay que cederle energía para alcanzar la temperatura de ignición necesaria para desencadenar la reacción de fusión.
Como el plasma magnéticamente confinado tiene una densidad muy baja (1014 iones/cm3, inferior al estado sólido), la temperatura se debe elevar hasta los 46 millones de grados. Para elevar el plasma a estas temperaturas se utilizan técnicas de radiofrecuencia e inyección de neutrones acelerados.
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Tecnología de la energía de fusión (4)
Calentador de plasma.
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Tecnología de la energía de fusión (5)
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Tecnología de la energía de fusión (6)
En el confinamiento inercial, el plasma es de alta densidad, baja temperatura y muy bajo tiempo de confinamiento.
El combustible está confinado en un recipiente esférico de dimensiones milimétricas, denominado “blanco de fusión”.
Al iluminar la superficie exterior del blanco con un láser muy potente se produce un proceso de ablación de la superficie del blanco y su comprensión hasta densidades del orden de 100 a 1.000 veces la normal del combustible, lo cual además induce una fuerte subida de la temperatura (puede alcanzar los 40 millones de grados), dando todo ello como resultado la fusión del material del blanco y la liberación de la correspondiente energía.
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Tecnología de la energía de fusión (7)
ENERGÍA NUCLEAR DE FUSIÓN
Perspectivas (1)
En el JET se produjeron 16MW, durante 2 segundos, y se emplearon 100MW para calentar el plasma. Pasados los dos segundos el plasma se volvía inestable y la fusión nuclear se paraba
La primera planta experimental construida para desencadenar una reacción de fusión fue el reactor JET (Join European Tourus) construida en 1991 en Inglaterra, y correspondía a un sistema de confinamiento magnético.
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Perspectivas (2)
Reactor experimental ITERRecogiendo las experiencias del JET se ha desarrollado un nuevo proyecto de reactor experimental de fusión, denominado ITER (Internacional Thermonuclear Experimental Reactor), entre los años 1991 y 1998.
Después de varias vicisitudes “políticas” (incluyendo la retirada temporal de Estados Unidos del proyecto), en la actualidad se ha decidido su construcción, en suelo francés.
El reactor ITER tiene una altura de 30 metros y una anchura de 40.El diámetro del eje del toro es de 12,4 metros, mientras que el diámetro de su sección (no exactamente circular, si no en forma de D) es de 4m. El volumen total de la cámara del reactor es de 837m3.
La intensidad del campo magnético es de 5,3 Teslas. La potencia introducida en el sistema durante su funcionamiento normal es de 40MW, para producir una potencia de fusión de 400MW (ganancia 10)
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Perspectivas (3)
Aunque inicialmente se pensó en un reactor con capacidad para mantener la reacción de fusión durante 20 minutos, los altos costes y la complejidad de la marcha “en continuo” han llevado a que el modelo actual mantenga el plasma confinado durante 3,7 segundos en plena reacción de fusión
El reactor trabaja con una mezcla de deuterio y tritio, al que hay que elevar su temperatura hasta los 100 millones de grados para la formación del plasma.
El sistema para elevar la temperatura de la mezcla a ese nivel absorbe una potencia de 73MW.
Para el aumento posterior de la temperatura hasta el nivel de ignición se dispone de un ciclotrón de electrones, otro de iones y un acelerador de neutrones, encontrándose aún en discusión al sistema a emplear. La potencia a suministrar por la red durante esa aceleración alcanza los 400MW (durante décimas de segundo)
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Perspectivas (4)
ENERGÍA NUCLEAR DE FUSIÓN
Perspectivas (5)
ENERGÍA NUCLEAR DE FUSIÓN
Perspectivas (6)
En torno al toro se sitúan 18 bobinas superconductoras (cada una de 290Tn, 14m de alto y 9 de ancho) que suministran el campo magnético (en la parte posterior va otra bobina de 840Tn y 12m de altura)
Para facilitar la superconductividad de las bobinas se dispone de un criostato y un depósito térmicamente aislado (que encierra la vasija y las bobinas), a una temperatura de -276ºC. Esta planta funciona con Helio, con una potencia de refrigeración de 660KW.
Para evitar cualquier impureza de la cámara de fusión (que provoca una disminución de la reacción de fusión) hay que provocar el vacío en su interior.
La pared interior de la cámara de fusión tiene una estructura de mosaico o escamas, encargada de absorber los impactos de las partículas de alta energía que escapan del confinamiento magnético. Está formada por 421 módulos, fácilmente reemplazables cuando sean deteriorados.
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Perspectivas (7)
El helio generado durante la fusión nuclear es extraído del toro por medio del “divertor”, integrado por 54 módulos con un peso total de 12Tn.
Finalmente, todo el reactor está rodeado por una estructura de acero y otra de hormigón armado que protege a los operarios de las radiaciones.
La construcción de ITER durará 10 años, con un coste de 4.750 millones de euros. Se prevé una sucesión de experimentos en diferentes condiciones de funcionamiento, que pueden implicar reformas estructurales, con una duración de 20 años.
El coste total del proyecto superará los 10.300 millones de euros, e involucrará a varios miles de ingenieros y físicos.
ENERGÍA NUCLEAR DE FUSIÓN
Perspectivas (8)
Si se confirmasen las expectativas (viabilidad técnica de los reactores de fusión con confinamiento magnético) se construirá un nuevo reactor, denominado DEMO donde ya se le acoplaría una turbina comercial para generar energía eléctrica (con una potencia del orden de los 4000MW) que descontando la energía necesaria para inducir la fusión, la potencia real, conectada a la red, sería de 1.300MW. Este logro podría alcanzarse no antes del año 2.040.
En cuanto a las tecnologías basadas en el confinamiento inercial, en la actualidad se encuentra a punto de terminarse la construcción de la instalación NIF (Nacional Ignition Facility), en el laboratorio de Lawrence, Livermore, en Estados Unidos, con el cual se pretende mostrar la viabilidad de este sistema de reactor de fusión.