La fusión nuclear, Apuntes de Ingeniería Industrial

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- F USIÓN NUCLEAR -

• 1.- Introducción …………………………....................................................... - I N D I C E -
  • 1.1.- La importancia de la fusión
  • 1.2.- Imitar al Sol ………………………………......................................
• 2.- Fusión nuclear. Principios básicos ………….......................................
  • 2.1.- Requisitos …………………...........................................................
  • 2.2.- Ventajas …………………………………......................................
• 3.- Fusión termonuclear controlada …………..........................................
  • 3.1.- Reacciones típicas …………......................................................
  • 3.2.- Disponibilidad de los elementos ……….....................................
• 4.- Generación del plasma. Criterio de Lawson ………….......................
  • 4.1.- El cuarto estado de la materia ………........................................
  • 4.2.- El plasma en ignición …………..................................................
  • 4.3.- Balance energético ……….........................................................
  • 4.4.- Criterio de Lawson …………......................................................
• 5.- Confinamiento del plasma. Tipos ………............................................
  • 5.1.- Confinamiento gravitacional …...................................................
  • 5.2.- Confinamiento inercial ………….…….........................................
  • 5.3.- Confinamiento magnético …………...........................................
• 6.- Confinamiento magnético ……………………………………….............
  • 6.1.- Tokamaks ………………..….......................................................
  • 6.2.- Stellarators ……………………………….....................................
• 7.- ITER ………............................................................................................
• 8.- Bibliografía

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prevista. Pero problemas tales como la larga vida media de los residuos radioactivos o los problemas de seguridad de las plantas nucleares son considerados por la opinión pública como inasumibles, lo cual hace que surja una gran resistencia social a su uso (en muchos países en desarrollo, el número de centrales nucleares disminuye rápidamente, como consecuencia de esta presión social).

Energías renovables : hidráulica, solar, eólica, mareomotriz, geotérmica, biomasa. El problema de muchas de estas fuentes es que son dispersas, de baja concentración para usos industriales y no proporcionarían la suficiente energía, o implicarían daños medioambientales no asumibles socialmente. Por ejemplo, para producir la demanda energética italiana mediante energía solar, ¡sería necesario cubrir un 20% del suelo italiano con paneles solares. Algo parecido ocurre si se pretende utilizar molinos de viento para producir energía eólica. Por tanto, parecen relegadas a ser fuentes de energía secundarias, pero no a soportar el peso central de la demanda energética mundial.

Por tanto, aunque a corto plazo no se prevé una falta de recursos energéticos y en las próximas décadas los componentes fósiles seguirán siendo la fuente primaria de energía, existe un importante esfuerzo a nivel mundial para la consecución de nuevas fuentes de energía que sean baratas, seguras, medioambientalmente no agresivas, y accesibles tanto a países desarrollados como no desarrollados.

La fusión termonuclear controlada aparece así como la solución perfecta a todos estos problemas. Es barata, ya que utiliza hidrógeno como combustible, el cual se encuentra en cantidades casi ilimitadas en el mar. Es segura, ya que no da lugar a reacciones en cadena incontroladas, como ocurre en el caso de la fisión nuclear. Medioambientalmente es poco agresiva, no más que cualquier central térmica, puesto que la contaminación generada procede de los intercambiadores de calor que reciben la energía que llevan los neutrones rápidos resultantes de las reacciones de fusión (totalmente análogos a los intercambiadores de otro tipo de centrales). Además, sus residuos son poco radiactivos, con vidas medias de desintegración de unos pocos años

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(en comparación, la vida media de los residuos de la fisión es de cientos de años), lo cual hace que su tratamiento y eliminación no sean un problema. Sin embargo, existen aún muchas cuestiones que la Física y la Ingeniería necesitan resolver antes de poder construir un reactor de fusión comercial, que se prevé pudiera entrar en funcionamiento bien entrado ya el siglo XXI.

1 .2- Imitar al Sol.- Se conoce por fusión nuclear el proceso por el que dos núcleos ligeros se funden dando lugar a un núcleo más pesado, emitiendo en el proceso una cierta cantidad de energía, ya sea en forma de calor o como energía cinética de algún otro producto de la reacción (por ejemplo, un neutrón, o un protón). Esta forma de producción de energía se da de manera espontánea en el Sol y demás estrellas, lo que explica la generación de vastas cantidades de energía que ocurre en su interior y que son responsables por ejemplo, de mantener la Tierra a la temperatura adecuada como para que haya podido surgir la vida. Así, en cada segundo, el Sol transforma 650 millones de toneladas de hidrógeno en helio, emitiendo una gran cantidad de energía en forma de luz y de neutrones.

Núcleo del Sol

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2.- FUSIÓN NUCLEAR. PRINCIPIOS BÁSICOS -

La fusión nuclear es el proceso mediante el cual dos núcleos ligeros se fusionan para formar núcleos más pesados y, es el proceso que genera la energía del Sol y de las estrellas. Desde que la ciencia se dio cuenta por primera vez, en los años veinte del siglo pasado, cuál era el verdadero origen de la cantidad ingente de energía que radia el Sol, ha sido un sueño de la humanidad aprender a controlar esta fuente de energía en la tierra. Al inicio de los estudios de la fusión nuclear se predijo que un reactor basado en la fusión podría entrar en funcionamiento en unos veinte años, pero esta estimación se ha mostrado demasiado optimista. Actualmente los conocimientos sobre esta fuente de energía limpia y prácticamente inagotable son mucho más detallados.

En un reactor de fusión se fusionan núcleos de átomos ligeros (isótopos de hidrógeno), liberando mucha energía en el proceso. La reacción de fusión se produce a temperaturas extremas, a saber unos 150 millones de grados centígrados. Cuando se calienta la materia a estas temperaturas, se encuentra en el estado de plasma, que es el término que se usa para un gas caliente de partículas cargadas eléctricamente (iones). Un plasma se puede contener (o "confinar") en un reactor en forma de anillo, donde la fuerza continente la ejercen unos campos magnéticos, para así evitar que el plasma caliente se enfríe al tocar la vasija que lo rodea. La energía que se libera en las reacciones de fusión puede usarse para generar electricidad o para fabricar más hidrógeno.

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La fusión, como método de generación de energía, tiene importantes ventajas medioambientales y de seguridad. Ya que la reacción de fusión no es una reacción en cadena, no es posible que se pierda el control de la misma. En cualquier momento se puede parar la reacción, cerrando sencillamente el suministro de combustible. La materia para el combustible, deuterio y litio, está disponible en cualquier parte, y hay suficiente materia para la generación de energía durante millones de años. Además, la fusión no produce gases que contribuyan al efecto invernadero. La reacción en sí sólo produce helio, un gas no nocivo, usado para los globos de los niños.

El aspecto de seguridad más importante de un reactor de fusión es la presencia de tritio, un gas radioactivo que se produce dentro del reactor mismo a partir de litio. Debido a esto, no hay necesidad de transportes de material radioactivo desde fuera hacia el reactor. La cantidad de tritio que se necesita en cada momento es muy pequeña, así que una central basado en este principio nunca contendría una gran cantidad del mismo. La pared del reactor de fusión, expuesta a las radiaciones provenientes del plasma, sí se vuelve radioactiva después de un tiempo, pero la mayor parte de esta radioactividad desaparecerá en un plazo de unos cincuenta años, de tal modo que los reactores de fusión no suponen una carga para las generaciones futuras.

La meta de la investigación internacional en el campo de la fusión es diseñar un prototipo de central de generación de energía de fusión, que cumpla con los requisitos de la sociedad: a saber, que sea seguro, fiable, sostenible, sin dañar el medioambiente y económicamente viable. En los últimos diez años se ha avanzado de manera importante en cuanto al conocimiento científico y técnico necesario en este campo.

2 .1- Requisitos.-

Para que se produzcan las reacciones de fusión nuclear, deben cumplirse una serie de requisitos básicos:

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Fusión nuclear por confinamiento magnético (FCM) : Las partículas eléctricamente cargadas del plasma son atrapadas en un espacio reducido por la acción de un campo magnético. El dispositivo más desarrollado tiene forma toroidal y se denomina TOKAMAK.

2 .2- Ventajas.-

La fusión presenta una gran cantidad de ventajas frente al resto de formas conocidas de obtención de energía. Algunas de ellas, tienen que ver con su viabilidad económica, otras con su escaso impacto medioambiental y con el riesgo nulo de accidente nuclear grave. En particular, destacan las siguientes:

Suministro inagotable del combustible y bajo coste del mismo. Los combustibles básicos de la fusión son el deuterio y el tritio. El deuterio, contenido en el agua del mar y los ríos, es un combustible prácticamente inagotable y fácilmente accesible por todos los países. Por lo tanto, su repercusión en el coste de la energía de fusión es insignificante. El suministro de combustible no impedirá, por tanto, el desarrollo y uso de la energía de fusión, al contrario de lo que sucede con la energía de fisión. Asimismo, las investigaciones actuales muestras que las reservas actuales de litio y otros materiales especiales son más que suficientes para permitir la explotación de la fusión durante mucho tiempo.

Mínimo impacto medioambiental. La fusión no produce gases que contribuyan al efecto invernadero ni a la lluvia ácida. Usando materiales de baja activación nuclear, la radiactividad inducida en los mismos por irradiación neutrónica puede reducirse 10 millones de veces, tras haber transcurrido una hora desde la parada del reactor. Y tampoco se producen subproductos radiactivos de larga vida, con lo que podrían almacenarse y tratarse en el interior de la planta sin peligro alguno. La emisión de productos radiactivos a la atmósfera queda limitada a las fugas de tritio durante el funcionamiento del reactor. Se ha estimado que la dosis total de radiación recibida por

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la población situada en un radio de 80 km del reactor, debido a las fugas de tritio, sería sólo el 0,01% de la dosis recibida por radiación natura.

No hay riesgo de un accidente nuclear. Los reactores de fusión pueden ser diseñados con el mayor grado de seguridad concebible frente a accidentes graves, es decir, sin producir daños mortales a la población fuera de su recinto en el caso de cualquier fallo inimaginable incluso en el supuesto de la destrucción total del reactor. El nivel de seguridad de la fusión está basado en las propiedades mismas de las reacciones de fusión: el combustible está continuamente inyectándose y el contenido del mismo en el reactor, en un momento dado, es mínimo; la radiactividad en un reactor de fusión está limitada a los materiales estructurales y no en los productos mismos de la reacción (solamente el tritio está en forma gaseosa) y después de una parada del reactor el nivel de radiactividad en el mismo depende más de la selección de los materiales estructurales que de los productos de la reacción en sí. Por lo tanto, el problema crítico en la seguridad de los reactores de fusión está, pues, en la correcta selección de los materiales que conforman su estructura.

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Aunque hemos incluido algún que otro elemento no mencionado anteriormente, como el litio (Li) o el boro (B) no son utilizados tan frecuentemente como los núcleos de hidrógeno y helio, pero pueden ser opciones de futuro.

Para la gestación de una reacción de este tipo, fusión de núcleos, se requieren unas condiciones de temperatura muy elevadas que sean capaces de vencer la atracción electrostática, de repulsión, que exista entre los dos núcleos a fusionar. Como los núcleos de los átomos tienen carga positiva debido al número de protones que albergan en su interior, es evidente que la cantidad de energía que habría que suministrar a dos partículas para que se fusionaran sería proporcional al número de protones. Este es el motivo por cual se utilizan los elementos ligeros antes mencionados y de los cuales el proceso más atractivo actualmente es la reacción deuterio-tritio.

La reacción deuterio-tritio es la que presenta una mayor eficiencia a temperaturas

relativamente bajas (10 KeV) aumentando considerablemente la probabilidad de ignición del plasma para generar los procesos de fusión espontáneos, esto se detallará más

específicamente en el apartado 4, donde hablaremos de la generación del plasma.

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3 .2- Disponibilidad de los elementos.-

El deuterio es muy abundante en el agua del mar, encontrándose en una concentración de 30 gr./m³, pero el tritio es un elemento radioactivo con una semivida de 12,3 años, que no se encuentra en estado natural y habría que producirlo in situ. Para ello se recubre la pared central del reactor con un manto de litio (Li) que absorbe los neutrones producidos por la reacción anterior y desprender tritio y núcleos de helio:

El litio 6 y el litio 7, son isótopos estables con una abundancia relativa de 7,5% y del 92,5%, respectivamente y se encuentran, principalmente, en las sales marinas y en minas de sal. El tritio puede obtenerse también a partir de reacciones de captura de neutrones por deuterio en reactores de fisión nuclear de agua pesada, o introduciendo litio en las barras de control de los reactores de fisión nuclear convencionales.

El espesor del manto debería ser lo suficientemente grande para frenar los neutrones producidos en la reacción, que al tener una energía de 14 MeV, implican un ancho del orden del metro. Finalmente, para evitar el sobrecalentamiento del manto fértil al frenar los neutrones y favorecer el intercambio de calor, un refrigerante que circula en su interior se encarga de transferir el calor fuera del área del reactor, produciendo vapor de agua con el que se generará fácilmente electricidad.

En un futuro, a más largo plazo, se planea utilizar únicamente deuterio puro como combustible, usando alguna de las reacciones D+D mencionadas antes, ya que no se necesitaría tritio (que es radioactivo), lo cual evitaría la necesidad de un manto fértil y la posible activación radioactiva de bajo nivel de la estructura del reactor. Sin embargo, las temperaturas necesarias serían más altas, lo cual es un reto tecnológico a superar.

Igualmente interesante es la reacción D + ³He, puesto que no genera neutrones. Estos, al chocar con los materiales del reactor con energías tan altas, provocan todo tipo

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4.- GENERACIÓN DEL PLASMA. CRITERIO DE LAWSON -

4 .1- El cuarto estado de la materia.-

Cuando se habla de los estados de agregación de la materia, casi todo el mundo piensa sólo en sólidos, líquidos y gases. Pero resulta que estos tres estados sólo constituyen el 1% del total de la materia que, por el momento, sabemos que contiene el Universo. ¿Pero qué es exactamente el plasma?

Cuando se eleva la temperatura de un gas a valores muy altos, las partículas del gas, que normalmente son eléctricamente neutras, dejan de serlo, pues los fuertes choques entre partículas hacen que los electrones se desliguen de sus núcleos. A este proceso de pérdida de electrones se le llama ionización y al átomo con déficit de electrones, ion.

El nombre que dan los físicos al gas ionizado es plasma y se considera el cuarto estado de la materia. Este, en conjunto es por lo general eléctricamente neutro, pero debido a que contiene dos especies de partículas cargadas su comportamiento es muy diferente y más complejo que el de un gas sin ionizar.

El estudio del plasma es fundamental para la investigación sobre la fusión termonuclear, y por ello el desarrollo de estas dos disciplinas ha ido de la mano durante los últimos 30 años. Antes de que comenzara el gran interés por la fusión el conocimiento de los plasmas era muy limitado, habiéndose estudiado sólo en relación a problemas de física espacial y tubos de descargas eléctricas.

Tanto en los gases no ionizados como en los plasmas, las partículas componentes se mueven continuamente, con velocidades muy variadas. Si se pudiera contar cuántas partículas se mueven con una velocidad dada y se reflejaran mediante una gráfica, para todas las velocidades se obtendría una curva como la de la figura siguiente, que muestra la distribución de velocidades para un gas en equilibrio térmico. A esta distribución se le llama función de distribución de Maxwell o simplemente maxwelliana, y resulta ser la función que obedece cualquier sistema que ha llegado a evolucionar

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libremente hasta alcanzar un estado de equilibrio, es decir que ya no cambia con el tiempo. La característica es que presenta un pico que indica que gran parte de las partículas se mueven con velocidades muy parecidas, alrededor de la llamada velocidad térmica, vt. Su posición y anchura dependen de la temperatura del gas. Sin embargo, hay que hacer notar que también existen partículas con velocidades muy altas en la cola de la distribución. Aunque en bajo número, su presencia es importante en la fusión.

La probabilidad de fusión para un plasma maxwelliano tiene que ser obtenida considerando todas las partículas, así que hay que promediar la sección eficaz (que nos mide la probabilidad para una velocidad dada) sobre una distribución maxwelliana. En realidad el promedio que más interesa es el del producto de la sección eficaz “s” por la velocidad de las partículas “v”, que denotamos por , pues esto mide la probabilidad de reacción por unidad de tiempo. En la siguiente figura se muestra esta cantidad en función de la temperatura de la maxwelliana utilizada en el promedio, para algunas de las reacciones de fusión consideradas en el apartado 3.

En el caso de la temperatura, se emplean unidades de energía en lugar de grados, pues hacerlo da una mejor idea del nivel de agitación que tienen las partículas que componen el plasma y además permite compararla con las energías de las partículas

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electroimanes muy potentes. Además de soportar las enormes temperaturas generadas, dichos campos tienen por misión mantener la densidad del plasma de manera que se sigan produciendo las suficientes reacciones nucleares que lo mantenga en esta condición. Uno de los productos de las reacciones de fusión D-T, los núcleos de helio o partículas alfa, absorben el 20% (3,5 MeV) de la energía de fusión liberada en forma de energía cinética. Como están cargadas eléctricamente, las partículas alfa se frenan en el plasma confinado por los campos magnéticos y pueden transferir su energía al combustible de deuterio y tritio. Este proceso de “auto-calentamiento”, que sólo tiene lugar en dispositivos suficientemente grandes, permite que se alcance la temperatura requerida para la fusión con una pequeña aportación de energía externa o incluso sin ella. En este último caso se dice que el plasma está en “ignición”.

Además de los núcleos de helio, cada reacción de fusión produce un neutrón que transporta el 80% (14 MeV) de la energía de fusión liberada. Los neutrones no están confinados por campos magnéticos y pasan directamente al “manto” que cubre las paredes del toroide, donde su energía es absorbida. En una central de fusión, un sistema de refrigeración absorberá el calor del manto del mismo modo que en una central eléctrica convencional, este refrigerante puede utilizarse para generar vapor, a través de intercambiadores, mover las turbinas y así producir electricidad.

4 .3- Balance energético.-

Mantener el plasma a la temperatura adecuada para que se produzcan las reacciones de fusión depende de las entradas y pérdidas de energía que tienen lugar en el mismo.

En este apartado se hará un balance de potencia de sólo el plasma sin tener en cuenta aportaciones o pérdidas externas a él. Siendo la entrada de energía el calentamiento óhmico y la potencia de fusión, mientras que las pérdidas serán por radiación, transporte del calor y fuga de partículas.

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1.- Potencia de fusión .- Es el término que define las reacciones de fusión que tienen lugar en el plasma. Sólo se tienen en cuenta las partículas cargadas que son las que quedan confinadas en el plasma, ya que las neutras escapan del mismo y no contribuyen al calentamiento. Para el balance se considera la reacción D-T analizada en el apartado 3, dando lugar a la siguiente expresión:

P = nD nT < v> E

Donde P es la densidad de potencia producida por fusión; nD y nT es la densidad

de deuterio y tritio del plasma; < v> es la tasa de reacciones de fusión y E es la

energía de la partícula resultante de la reacción.

2.- Calentamiento óhmico .- Si se produce una corriente en el plasma, éste se calentará por efecto Joule según la siguiente ecuación que nos da la densidad de potencia óhmica:

Pohm = j²

Donde j es la densidad de corriente dentro del plasma y es la resistividad del plasma.

3.- Pérdidas por radiación .- Un primer tipo de radiación es la radiación de línea, producida por los diferentes iones presentes en el plasma. Cuando se excitan y dejan de excitarse, emiten una radiación de onda precisa, en función de su nivel atómico, según su estado inicial y final. Puede modelizarse según la expresión que se indica a continuación:

Pline = Cline ne nimp Zimp

1 / 2 T’imp

2

1 +T’e

2 ;^ T’e^ =^

Te

10 - 4 Zi^2 mp