Reactores de fusión termonuclear por confinamiento magnético

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Sección del reactor Tokamak de ITER, el más rentable y prometedor de todos los reactores de fusión termonuclear.
El Sol es un reactor natural de fusión termonuclear.

Los reactores atómicos de fusión termonuclear por confinamiento magnético son proyectos experimentales, viables, que se hallan en proceso de diseño y realización.

Se utilizan para generación de energía a partir de la fusión termonuclear de iones confinados por campos magnéticos.

Se basan en el funcionamiento de las reacciones termonucleares producidas en las estrellas, que son reactores de fusión naturales y como combustible utilizan hidrógeno (H), ya que es el elemento químico más sencillo y común del universo.

Como resultado, al contraerse y fusionarse bajo la presión extrema de la gravedad, el H se reconvierte en helio (He). En estas reacciones, aproximadamente 0,5% de la masa del H se convierte en energía, de acuerdo con la famosa ecuación de Einstein E=mc2, que relaciona la masa y la energía. De este modo, las estrellas irradian energía en modalidad de luz y de calor.

En 1854, Hermann von Helmholtz (investigador alemán) observó que la propia gravedad del Sol suministraba gran cantidad de energía. Postulaba que si esta estrella se contrae gradualmente, toda su materia decae también gradualmente hacia el centro y como resultado de dicha fusión se produce suficiente energía para mantener su radiación durante mucho tiempo.[1]

Para reproducir una fusión artificial a pequeña escala, en lugar de H, como combustibles se utilizan deuterio (D) y tritio (T), dado que, para fusionarse, estos dos isótopos del hidrógeno necesitan menor energía calorífica que la utilizada por las estrellas. Los reactores experimentales en construcción (ITER), siglas de International Thermonuclear Experimental Reactor, guiarán la viabilidad de los distintos sistemas de generación de energía por fusión en nuestro planeta.

Funcionamiento[editar]

Con el fin de entender algo mejor el fenómeno de fusión nuclear hay que adentrarse en la física atómica y tener en cuenta que el átomo se compone de un núcleo central formado por protones, que tienen carga eléctrica positiva, y neutrones, que son eléctricamente neutros. Orbitando alrededor del núcleo se encuentran los electrones, cargados negativamente.

La fuerza nuclear fuerte es la fuerza fundamental que mantiene unido el núcleo, los protones y los neutrones. Debido a su carga negativa, los electrones resultan atraídos hacia el núcleo por fuerzas eléctricas menos potentes que la fuerza nuclear fuerte.

Fusión: Deuterio & Tritio = Helio & neutrón + energía.

Para que pueda ocurrir una reacción de fusión, dos átomos ligeros tienen que unir sus núcleos, cuyo resultado es un núcleo mayor. En este proceso se libera energía que proviene de la fuerza nuclear fuerte que unía el núcleo.[2]

Con el propósito de conseguir la fusión de dos átomos hay que superar la fuerza de repulsión mutua que ejercen los protones de los dos núcleos. Sólo si ambos núcleos se acercan lo suficiente pueden superar la cresta de repulsión. Esto se consigue haciéndolos chocar a gran velocidad y elevando la temperatura del reactor a unos 150 millones de grados.

A esas temperaturas los átomos se mueven a una velocidad tal que provocan la separación en núcleos y electrones libres, pues dejan de estar unidos por la fuerza eléctrica que los unía. Tal condición de la materia es el cuarto estado, superior al estado gaseoso. A este cuarto estado se le denomina «plasma».

Para conservar esta altísima temperatura hay que evitar que el plasma choque contra las paredes del reactor. A fin de evitar estos choques se utilizan campos magnéticos. Con ayuda de estos campos las partículas del plasma siguen las líneas magnéticas, como si fuesen guiadas por un carril. Para evitar que las partículas choquen contra los extremos del reactor, científicos rusos inventaron el reactor «Tokamak».

Un tokamak (cámara toroidal) es un reactor de fusión de forma cilíndrica y anular (algo parecido a una rosquilla «(dona)» o a la cámara de goma de una rueda de automóvil): un tubo sin extremos rodeado exteriormente con unas bobinas que deben proporcionarle el campo magnético. Este tipo de reactor también recibe el nombre de «toro».

Dentro del tokamak la temperatura es muy alta: unos 150 millones de grados. Para que el reactor sea seguro necesita presión baja con el fin de que la densidad del plasma también lo sea. Tecnológicamente esto puede ser complicado, pero es indispensable para el buen funcionamiento del reactor.[3]

En caso de accidente, en un reactor de fusión los combustibles (D y T) no generan reacción en cadena que pueda contaminar el ambiente como ocurre con la fisión nuclear. Si al reactor de fusión se le deja de suministrar combustible, cesa la reacción. Ello implica que este tipo de reacción, por fusión, sea limpio, seguro y ecológico.

Interior de un reactor de fusión Tokamak.

En la fusión hay que fusionar al deuterio con un átomo de tritio, cuyo resultado de la reacción es un neutrón, un átomo de helio y mucho calor, como consecuencia de la destrucción de la fuerza nuclear fuerte de los núcleos de los átomos de D y de T.

Fusionando litio (Li) se obtendrían tritio y helio (He). Las reservas de Li en el planeta son muy abundantes, por lo que se dispondría de T durante miles de años.

El deuterio se obtiene del hidrógeno del agua, por lo cual se convierte en una fuente casi inagotable de combustible. En un litro de agua hay 33 miligramos de D. Si se le fusiona con T se obtiene energía comparable a 350 litros de gasolina.

En un reactor de fusión la presencia de tritio es un asunto de seguridad importante, porque es un gas radiactivo que en estado natural tarda doce años en volverse inocuo. Artificialmente se produce en el interior del reactor a partir de litio. Por ello no hay que transportar el material radiactivo. En una central en funcionamiento nunca se acumularía mucha cantidad de este elemento químico. Las paredes del reactor se vuelven radiactivas; esta radiactividad desaparece totalmente en unos cincuenta años.

El proyecto ITER demostrará que científica y técnicamente el método de fusión es viable. Tendrá que ser capaz de generar 500 megavatios de energía durante cierto tiempo. El proyecto tendrá una función experimental para probar tecnologías imprescindibles con el fin de crear multitud de centrales de fusión industrial en todo el mundo. Se estima que para 2040 estará terminado todo el proyecto de investigación. El ITER producirá diez veces más que la energía requerida como combustible.

Los socios del proyecto ITER, liderados por la Unión Europea, son Estados Unidos, China, Rusia, Japón y Corea del Sur.

El Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT) es el referente de investigación española en el campo de la fusión nuclear. En junio de 2005 los socios del proyecto ITER acordaron construirlo en Francia. Su coste de construcción será de unos 4 700 000 000 (cuatro mil setecientos millones) de euros, con posibilidad de llegar el total de la financiación a 15 000 000 000 (quince mil millones) de euros.

El ITER entrará en funcionamiento aproximadamente el año 2025. Se espera que para mediados de siglo las nuevas generaciones puedan disfrutar de una energía que no embargue el futuro de la humanidad.[4]

Tokamak[editar]

Toroide.

Un Tokamak es un reactor de fusión, que tiene forma de cámara toroidal o cilindro anular toroide, algo parecido a una rosquilla sin extremos. Por su interior circula el plasma confinado, a más de 150 millones de grados, guiado desde el exterior por un campo magnético, con la finalidad de que el plasma no toque las paredes del Tokamak, lo cual causaría pérdida de temperatura. Los radios del toroide de plasma del Tokamak ITER son 2,0 m el interno y 6,2 m el externo.

Este Tokamak tiene varias bombas, denominadas cryopomps (criobombas), que enfrían los imanes. Uno de los componentes que ayudan a elevar la temperatura del plasma, hasta que alcance la temperatura crítica, son los inyectores de emisores de partículas.[5]

El plasma que circula en el interior del «torus» central está compuesto por 50% de deuterio y 50% de tritio, lo cual puede generar millones de watts,,[6] que podrían abastecer miles de casas, pero también se requiere mucha energía para mantener el plasma circulando a tales temperaturas.

El campo magnético de un Tokamak está compuesto por:

  • Solenoide central: superconductor que induce la corriente en el plasma.
  • Bobina toroidal: superconductora que confina y estabiliza el plasma. Está situada exteriormente en espiral alrededor del toroide.
  • Bobina poloidal: superconductora que confina y posiciona el plasma del toroide. Se ubica en la parte más exterior, longitudinalmente al toroide.
  • Cámara de vacío: mantiene en vacío el plasma. Es la primera barrera de confinamiento para el tritio. Se encuentra en el interior del toroide.
  • Transformadores: conducen la electricidad que abastece a las bobinas toroidales y poloidales.

Stellarator[editar]

Prototipo de stellarator que funcionó en 1988. Institut Max-Planck de Physique des Plasmas (Alemania).

Los Stellarators («estelaratores») son reactores de fusión toroidales con un campo magnético poloidal producido por bobinas exteriores al plasma. Su funcionamiento es continuo, pues no existe corriente plasmática inductiva alguna, ni implica riesgo de interrupciones, por no existir corriente interna en el plasma.

Existen tres tipos de estelaratores:

  • Torsatrones: tienen bobinas helicoidales continuas.
  • Modulares: de bobinas no planas.
  • Helíacos: conjunto de bobinas planas circulares, distribuidas a lo largo de una hélice enrollada alrededor de una bobina central circular.

Los resultados de los stellarators actuales han sido buenos, iguales a los obtenidos en tokamaks.

El plasma[editar]

Es el cuarto estado de la materia; es un gas ionizado, o sea que los núcleos están separados en dos tipos de partículas: iones (positivos) y electrones (negativos).[7] De este modo el plasma es un estado parecido al gas, pero compuesto por electrones, cationes (iones de carga positiva) y neutrones, todos separados entre sí y libres. Por esta razón es un excelente conductor.[8]

Confinamiento[editar]

Existen tres clases de confinamiento:

  • Confinamiento gravitatorio. Su creación es natural. Se basa en confinamiento de las partículas por creación del potente campo gravitatorio de las estrellas, fenómeno que no es posible imitar en la Tierra, por lo cual se investiga la factibilidad de otros campos.
  • Confinamiento magnético. Se basa en creación de campos magnéticos, con el objetivo de confinar y guiar el gas plasmático ionizado en el interior del reactor. Para conseguir un funcionamiento óptimo es esencial contener el plasma confinado, para que se mantenga unido y circule únicamente por senderos previamente delimitados, sin contacto alguno con las paredes del reactor, a fin de mantener una temperatura y una densidad plasmática óptimas para la fusión. Así se evitan:
  1. Contaminaciones del plasma
  2. Deterioro de la vasija
  3. Fugas de radiación
  4. Pérdidas de temperatura
  • Confinamiento inercial. Se basa en generación rápida de energía antes que el plasma pueda expandirse. El combustible a baja temperatura se calienta rápidamente desde la superficie, cuyo resultado es un plasma que se comprime hasta alcanzar densidades muy elevadas y temperaturas termonucleares. Esto se logra generando calentamiento del combustible mediante láseres, por lo cual se obtiene presión muy potente, que se aplica sobre un punto concreto del gas ionizado, que lo presiona y genera ignición y fusión del combustible, así como expansión y calor de la reacción nuclear. El momento del confinamiento en sí es el tiempo de inercia entre la presión máxima y la expansión.[9] [10]
Proceso de implosión, comienzo de la fusión y de liberación de energía de una cápsula de combustible de fusión. 1. El rayo láser calienta rápidamente la superficie del objetivo o blanco, lo cual genera plasma alrededor. 2. El objetivo se comprime debido a expulsión del material que lo rodeaba en la superficie. 3. Se produce la implosión de la microcápsula, alcanza a obtener una densidad de 20 veces la del plomo y hace ignición a 100 000 000 °C. 4. La reacción termonuclear se distribuye por el combustible, provoca salida de varias veces la energía entrante, después genera un efecto parecido al de una supernova y el objetivo queda quemado.

El campo magnético[editar]

Trampa magnética toroidal.

Este campo consta de sólo dos componentes: uno toroidal y otro poloidal.

Los fundamentos magnéticos del confinamiento plasmático son:

  • Campo magnético toroidal, generado por las bobinas equidistantes que hay alrededor del toroide.
  • Campo magnético poloidal, producido por una corriente eléctrica que fluye en el interior del plasma, inducida principalmente por el solenoide central.
  • Campo magnético helicoidal, resultante de la suma de los campos toroidal y poloidal. Tiene forma de muelle enrollado sobre sí mismo.
  • Electroimanes, que inducen corriente en el plasma.

Campo toroidal[editar]

Está compuesto por bobinas. El giro tridimensional del eje central de la configuración se genera mediante dos bobinas centrales: una circular y otra helicoidal. La posición horizontal del plasma se controla mediante las bobinas de campo vertical.

Trampa magnética[editar]

Se obtiene por medio de varios conjuntos de bobinas (circular y helicoidal) que configuran totalmente las superficies magnéticas antes de generar el plasma.

La acción conjunta de estos campos magnéticos origina superficies magnéticas que guían las partículas del plasma para que no choquen contra las paredes de la cámara.

Inicio de la reacción[editar]

El plasma se calienta con microondas a la frecuencia ciclotrónica de los electrones e inserción de haces de átomos neutros de hidrógeno. También se experimenta con láseres para calentar el combustible e iniciar la reacción.

Ventajas y desventajas[editar]

El ser humano siempre ha soñado con alcanzar una fuente de energía inagotable, que sea potente, limpia y segura. Sin efectos nocivos para el ambiente y la salud, que cubra ampliamente todas las necesidades del planeta. Estudiando el modelo de fusión termonuclear, que se produce de forma permanente en el interior del Sol, se están realizando proyectos ecológicos, seguros y viables, cuyas reservas del combustible utilizado, (deuterio y tritio) son prácticamente inagotables y pueden demostrar, además de alta generación de energía, los mejores estándares de seguridad y respeto del entorno.

Sucede lo contrario en la fisión nuclear, donde el uranio es un combustible altamente peligroso y escaso, ya que fuera de control genera una reacción en cadena, de efectos catastróficos. Se calcula que las reservas de uranio en el planeta se agotarán en unos cuantos decenios. En caso de accidente en un reactor de fusión, bastaría suspender el suministro de combustible, con lo cual deja de funcionar el reactor y pocos metros más allá de la vasija cesa la radiactividad, ya que el deuterio es inocuo y el tritio es un isótopo escasamente radiactivo (unas 10 000 veces menor que el uranio), que además se podría reciclar en el interior del reactor.

No obstante, la vasija del núcleo no es 100% limpia y segura, ya que la radiación y las extremas temperaturas a las que se encuentra sometido el plasma, producen contaminación y peligrosidad. Al no existir reacción en cadena, la radiación se concentra únicamente en la vasija y sus inmediaciones.[11]

A la espera de una fuente energética mejor, la fusión nuclear es una posible esperanza, que aspira a terminar con el uso inadecuado de los combustibles fósiles y la peligrosidad de la fisión nuclear.[12]

Referencias[editar]

  1. «Ciencia Solar.» (en español). Consultado el 18 de diciembre de 2012.
  2. «Ciemat - Laboratorio Nacional de fusión.» (en español). Consultado el 18 de diciembre de 2012.
  3. «EFDA - JET & Fusión.» (en inglés). Consultado el 18 de diciembre de 2012.
  4. «Proyecto internacional ITER. - Reactor Tokamak.» (en inglés). Consultado el 18 de diciembre de 2012.
  5. «UCM - FLUJOS DE ENERGíA Y PARTÍCULAS EN EL BORDE DEL PLASMA DEL TOKAMAK JET.» (en español). Consultado el 18 de diciembre de 2012.
  6. «Princeton Plasma Physics Laboratory» (en inglés). Consultado el 7 de abril de 2011.
  7. «PPL Princeton Plasma Physics Laboratory is a U.S.» (en inglés). Consultado el 18 de diciembre de 2012.
  8. «University of Wisconsin - Plasma Rotation in Tokamaks.» (en inglés). Consultado el 18 de diciembre de 2012.
  9. «CIEMAT - El confinamiento.» (en español). Consultado el 7 de abril de 2011.
  10. «The HiPER Project - The European High Power laser Energy Research.» (en inglés). Consultado el 7 de abril de 2011.
  11. «El País - Una fuente de energía del futuro.» (en español). Consultado el 18 de diciembre de 2012.
  12. «ABC Periódico Electrónico S.A. - Un nuevo paso para lograr la fusión.» (en español). Consultado el 18 de diciembre de 2012.


Enlaces internos[editar]

Enlaces externos[editar]

Modelos de fusión[editar]


Reactores de fusión a nivel mundial[editar]