CIENCIA: FUSION NUCLEAR: ¿es posible reproducir la energia del sol en la tierra?

El sol, nuestro mejor ejemplo de fusión nuclear.

(Esta entrada participa en la edición XXIX del carnaval de la fisica evento coordinado por Carlos Angosto desde su ZURDITORIUM y gracias también en esta ocación a Carlo Ferri en Gravedad Cero por sus geniales aportes en la comunidad, y a todos, sigamos con este proyecto adelante)

ENERGIA

Cuando los astrofisicos rastrean la galaxia en busca de pruebas de la existencia de otras civilizaciones, las categorizan según su huella energética.

La energía es necesaria para la supervivencia, el desarrollo y la vida y ayuda a decidir las capacidades de una civilización, dentro de éste marco hay tres tipos de civilizaciones:

Civlización tipo 1.- aquella que controla todas las fuentes de energía

de su planeta, esto es el clima, los oceanos, huracanes, erupciones volcanicas, y todas las producidas de forma natural.

Civilización tipo 2.- Este tipo de civilización ha agotado todos los recursos naturales de su planeta y obtiene su energía consumiendo lo que emite su estrella.

Civilización tipo 3.- Este tipo de civilización es galáctico, usa la energía de miles de millones de sistemas solares de su galaxia y se mueve por el espacio en sus naves.

pero ¿porqué hay tres tipos de civilizaciones? porque hay tres tipos de fuentes de energía en la galaxia. Los planetas, las estrellas y la galaxia en si misma. ¿Donde nos deja esta categorización? pues bien, somos una civilización tipo cero, tan primitivos aún que nisiquiera somos capaces de controlar las fuentes de energía de nuestro planeta y obtenemos nuestra energía de plantas muertas como el petroleo y el carbón.

Nuestro progreso como civilización depende de si podemos ir mas allá de nuestra dependencia de los combustibles fósiles.

En esta oportunidad hablaremos un poco de la fusión nuclear la cuál es una reacción nuclear en la que dos núcleos de átomos ligeros, en general el hidrógeno y sus isótopos (deuterio y tritio), se unen para formar otro núcleo más pesado, liberando una gran cantidad de energía.

Ya hemos hablado anteriormente de la fisión nuclear y la radiactividad. Hemos visto que la misma (la fisión nuclear) tiene lugar cuando se divide el núcleo de un átomo. El núcleo se convierte en diversos fragmentos con una masa casi igual a la mitad de la masa original más dos o tres neutrones. La suma de las masas de estos fragmentos es menor que la masa original. Esta 'falta' de masas (alrededor del 0,1 por ciento de la masa original) se ha convertido en energía según la ecuación de Einstein E=mc²

Un poco de historia...

Mucho antes que se iniciara el siglo XX los cientificos sabían que no era correcta la vieja imagen del Sol como bola de fuego, alimentada con madera u otro material combustible. La dificultad principal estriba en el tipo de combustible aparentemente inagotable pero habia otros problemas, por ejemplo. Todos los combustibles conocidos por el hombre como la madera, el carbón y las grasas vegetales y animales generan CO o CO2 por oxidación, pero según los datos espectroscópicos, la atmosfera que rodea al sol parecia no contener ninguno de esos residuos de combustión.Años antes del descubrimiento de la fisión, los cientificos reconocieron que la energía liberada en una reacción nuclear es un millón de veces mayor que la de una reacción quimica, por ejemplo cuando dos átomos de hidrógeno se combinan para formar la molécula de H2 se liberan unos 4.5 eV (electron voltios) contrastando con esto en la reacción:

^{2 3 4 1}

^{H + H → He + n}

^{1 1 2 0}

en la que un deuterón y un núcleo de tritio se funden para formar una particula alfa y un netrón, en este caso se liberan 17.6 millones de eV.

La precencia de helio gaseoso en la fotosfera del sol soportaba la hipótesis de que la energía solar y de otras estrellas se origina en la síntesis nuclear del helio. En 1938 Hans A. Bethe en una publicación tan breve como famosa describía el ciclo más probable de fusión en el que el núcleo de:

¹²

⁶

actua como catalizador. La energía liberada al completarse un ciclo, durante el que cuatro protones se combinan para formar un núcleo de helio y dos positrones, es mas de 26.7MeV; esto es más de 6X10^8 Kcal/mol de He.

Aproximadamente desde 1948, se llevó a cabo un esfuerzo organizado para producir una fusión controlada en la tierra. El problema de tener ésta se puede visualizar considerando a la reacción deuterón-tritio. Estas dos partículas ordinariamente se repelen por interacción electrostática, y se debe suministrar mucha energía a los dos núcleos para forzarlos hasta el alcance de la fuerza nuclear fuerte.En el interior del sol, esta gran energía la dá la agitación térmica: la temperatura en el nucleo solar probablemente sea mas de 2X10^7 K (mas de 20 millones de grados kelvin). Desde luego es imposible confinar al hidrógeno gaseoso dentro de un recipiente ordinario a temperaturas que remotamente se parezcan a la anterior. Se han probado varios esquemas sofisticados para el confinamiento de un gas caliente, ionizado (llamado PLASMA) incluyendo el uso de campos magnéticos inhomogeneos intensos. Se ha hecho algún progreso hacia la fusión controlada aunque a costa de enormes esfuerzos y quizá con una lentitud deseperante.

^{Evolución histórica}

Los orígenes de la fusión nuclear se localizan hacia 1929 cuando Atkinson y Houtemans plantearon la posibilidad de obtener energía de las reacciones de fusión. Sin embargo, los conceptos más importantes de fusión nuclear y su aplicación real, se desarrollaron a partir de 1942 con los trabajos de H. Bethe, E. Fermi, R. Oppenheimer y E. Teller, entre otros. A través del proyecto Sherwood se llevaron a cabo los primeros avances tecnológicos, que permitieron desarrollar el concepto de confinamiento magnético, obteniéndose los primeros diseños: z-pinch, stellarator y espejos magnéticos.En 1961, J. Nuckolls (EEUU) y N. Basov (URSS) desarrollaron una técnica mediante la cual se podrían obtener reacciones de fusión nuclear mediante altas compresiones provocadas por la cesión de energía. Se desarrollaron así programas secretos en EEUU y Rusia. Posteriormente, Francia se une a este desarrollo, también secreto. Otros países como Alemania, Japón, Italia y EEUU (Rochester) desarrollaron programas abiertos.

En 1965, Artsimovich presentó los resultados de sus investigaciones, en la “2ª Conferencia de Plasma y Fusión Controlada”, sobre el concepto TOKAMAK (Toroidal KAmera MAgnetiK). En el concepto TOKAMAK, el campo magnético necesario para confinar el plasma es el resultado de la combinación de un campo toroidal, de un campo poloidal, ambos creados por bobinas toroidales, y de un campo vertical (creado por un transformador). El plasma actúa como secundario de un transformador por donde se induce corriente que lo calienta. Por el primario del transformador circula una intensidad de corriente variable.
En 1968, el Premio Nobel N. Basov, informó de la obtención de temperaturas de ignición y de la producción de neutrones en las reacciones de fusión nuclear empleando láseres. A partir de entonces, se pudo disponer de una gran cantidad de aparatos en construcción y operación bajo el concepto TOKAMAK como los siguientes: TFR (Francia), T-4 y T-11 (URSS), ALCATOR y ORMAK (EEUU). Otros como el T-10 (URSS), PLT (EEUU), DITE (GB), ASEDX (RFA) y FRASCATI (EURATOM-Italia) comenzaron a construirse.
En la década de los 70 comenzó a producirse la primera serie de publicaciones sobre FCI (Fusión nuclear por Confinamiento Inercial). En EEUU, los principales investigadores fueron Brueckner, Nuckolls, Kidder y Clark. En Rusia, Basov y su equipo consiguieron el experimento más avanzado, alcanzándose cerca de 3 millones de neutrones en la implosión de esferas de CD2. Basados en este concepto existen y han existido multitud de instalaciones con láser que han permitido avanzadas investigaciones sobre la fusión nuclear. De ellas se pueden destacar: NOVA (40 kJ, EUUU), OMEGA (30 kJ), GEKKO-XII (10 kJ, Japón), PHEBUS (3 kJ, Francia), VOLCAN (UK), ISKRA-5 (Rusia). A partir de estas instalaciones de láser se han desarrollado dos grandes proyectos para demostrar altas ganancias: National Ignition Facility (NIF) en EEUU y Laser Megajoule (LMJ) en Francia. Pero el láser no es el único dispositivo capaz de producir implosiones, también se observa que electrones y haces de iones ligeros y pesados son serios candidatos a la fusión nuclear por confinamiento inercial. Nacen así los siguientes proyectos con iones ligeros: ANGARA y PROTO (Rusia), PBFA-I y PBFA-II (EEUU). En relación con los iones pesados, al no existir experimentos no se han podido alcanzar resultados exactos, aunque se han realizado ciertas predicciones mediante simulaciones teóricas como las realizadas en el Proyecto HIDIF (Heavy Ion Design of Ignition Facility) patrocinado por varios laboratorios e institutos europeos y por el Lawrence Berkeley Laboratory americano.
En la década de los 90, las instalaciones de tipo TOKAMAK: JET (EURATOM), TFTR (EEUU) y JT-60 (Japón), permitieron obtener cierta potencia. El primero fue el JET, que con una mezcla de D (90%) y T (10%) consiguió en 1991, una potencia de 1,7 MW. Posteriormente, en 1993, el TFTR con una mezcla de DT al 50% llegó hasta los 6 MW, alcanzándose temperaturas de 30 keV. En el calentamiento se gastaron 29 MW. En la actualidad, el TFTR está clausurado. Hasta la fecha, se han llegado a producir hasta 12 MW de potencia en reacciones de fusión nuclear controladas durante más de un segundo (JET, 1997) y existe la confianza de que con los avances tecnológicos actuales sea posible llegar al rango comercial de cientos de MW de forma mantenida.
Desde este instante, la investigación ha progresado de manera constante, y así, en 1994 se puso en marcha el primer dispositivo de fusión nuclear construido totalmente en España: el Stellerator TJ-I upgrade, que fue cedido en 1999 a la Universidad de Kiel al entrar en operación el TJ-II. El TJ-II supuso un gran salto científico con respecto a los experimentos anteriores considerándose uno de los tres stellerators más avanzados del mundo junto con el alemán Wendelstein 7-AS del Instituto Max Planck en Munich y el japonés LHD de la Universidad de Nagoya.

^{¿QUE ES LA FUSION NUCLEAR?}

Como ya mencioné al inicio de este artículo la fusión nuclear es una reacción nuclear en la que dos núcleos de átomos ligeros, en general el hidrógeno y sus isótopos (deuterio y tritio), se unen para formar otro núcleo más pesado liberando una gran cantidad de energía. Un ejemplo claro lo vemos a diario en la energía solar que tiene su origen en la fusión de núcleos de hidrógeno, generándose helio y liberándose una gran cantidad de energía que llega a la Tierra en forma de radiación electromagnética.

Para efectuar las reacciones de fusión nuclear, se deben cumplir los siguientes requisitos:

Temperatura muy elevada para separar los electrones del núcleo y que éste se aproxime a otro venciendo las fuerzas de repulsión electrostáticas. La masa gaseosa compuesta por electrones libres y átomos altamente ionizados se denomina PLASMA.

Confinamiento necesario para mantener el plasma a elevada temperatura durante un tiempo mínimo.

Densidad del plasma suficiente para que los núcleos estén cerca unos de otros y puedan lugar a reacciones de fusión.

Los confinamientos convencionales, como las paredes de una vasija, no son factibles debido a las altas temperaturas del plasma. Por este motivo, se encuentran en desarrollo dos métodos de confinamiento:

Fusión nuclear por confinamiento inercial (FCI): Consiste en crear un medio tan denso que las partículas no tengan casi ninguna posibilidad de escapar sin chocar entre sí. Una pequeña esfera compuesta por deuterio y tritio es impactada por un haz de láser, provocándose su implosión. Así, se hace cientos de veces más densa y explosiona bajo los efectos de la reacción de fusión nuclear aprovechando la inercia mecánica de pequeñas esferas sólidas y densas de Deuterio-Tritio para calentarlas hasta la temperatura de fusión mediante la inyección de breves e intensos pulsos de energía (radiación láser o partículas muy energéticas procedentes de un acelerador). El bombardeo de estas esferas provoca su calentamiento y la posterior compresión de su superficie a una altísima temperatura, formando un plasma caliente. El plasma se escapará libremente hacia fuera, pero por conservación del impulso, parte de las partículas tendrá que ir hacia dentro. Esa implosión será capaz de comprimir la mezcla de gas Deuterio-Tritio que puede colocarse dentro de la esfera, y juntamente con el calor producido provocar una fusión termonuclear. En este proceso, las fases de calentamiento y confinamiento se efectúan al mismo tiempo, usando el mismo dispositivo suministrador de la energía.

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 (hasta ahce algunos años) tiene forma toroidal y se denomina TOKAMAK. Esta Tecnología provoca la fusión manteniendo el plasma de Deuterio-Tritio confinado mediante un campo magnético de la configuración e intensidad adecuadas. Con el uso de los campos electromagnéticos se consigue que las partículas del plasma se aceleren, evitando que sigan caminos aleatorios y puedan reaccionar con más facilidad. Las fases de calentamiento y confinamiento se hacen por separado. El confinamiento magnético más simple es un campo magnético uniforme, donde las partículas realizarán trayectorias espirales alrededor de la dirección del campo Esto sería suficiente para confinar las partículas en sólo dos direcciones. Para evitar la pérdida de las partículas a lo largo del eje del campo hay dos posibles opciones: Se puede construir un toro –configuración cerrada– o se puede crear en los extremos una zona de alta densidad de líneas de campo magnético que reflejaría las partículas dentro de la región donde el campo es inferior. Serían los espejos magnéticos.

View inside the ASDEX upgrade tokamak (Axially Symmetric Divertor EXperiment) by the Max Planck Institute, Germany. Source

Elementos básicos para producir la fusión nuclear.

Todo esto de la fusión nuclear suena genial porque podemos obtener energia inagotable de nuestras fuentes de agua marina en todo el planeta, analicemos: Para lograr la fusión necesitamos agua y nuestro planeta esta compuesto en sus 3/4 partes de este abundante elemento en los oceanos que nos rodean. Las moléculas de agua estan compuestas por dos átomos de hidrógeno y uno de oxigeno. Necesitamos entonces para la fusión deuterio y tritio (de acuerdo a la teoría que la sustenta). El primero se puede extraer (como se indicó) del agua de los oceanos. Su abundancia es de un átomo por cada 6.500 átomos de Hidrógeno, lo que significa que con el contenido de deuterio existente en los oceanos (34 gramos por metro cúbico) es posible obtener una energía inagotable mediante la fusión nuclear, y cuyo contenido energético es tal que con la cantidad de deuterio existente en cada litro de agua de mar, la energía obtenida por la fusión nuclear de estos átomos de deuterio equivale a 250 litros de petróleo.

Cápsula de combustible preparada para el reactor de fusión de confinamiento inercial NIF, rellena de deuterio y tritio…

El otro elemento empleado en la fusión nuclear es el Tritio, es el isótopo inestable o radiactivo del átomo de hidrógeno. Está compuesto por un protón y dos neutrones y se desintegra por emisión beta con relativa rapidez, y aunque es escaso en la naturaleza, puede ser generado por reacciones de captura neutrónica con los isótopos del Litio, material abundante en la corteza terrestre y en el agua del mar.

Fusion Nuclear (1/2)

Fusion Nuclear (2/2)

Nuestro problema se reduce entonces a obligar a estos dos elementos (deuterio y tritio) a fundirse para generar la tan ansiada energía... el problema consiste básicamente en que para lograr la unión son necesarias cantidades de energía enormes cuyo coste esta de momento fuera del alcance de presupuesto económico de muchas economias a nivel mundial a demas de que la tecnología necesaria para lograr y mantener la misma aun esta en fase de desarrollo y es objeto de estudio. Para esto grandes potencias a nivel mundial como China, UE, India, Japón, Sur Korea, Rusia y EEUU han unido esfuerzos económicos e intelectuales para lograr vencer las barreras presupuestarias y continuar con la investigación y desarrollo de la tecnología minima para la obtención de la energía de fusión para lo cual se escogio a Francia para albergar el proyecto y actualmente se contruye el ITER (International Thermonuclear Experimental reactor) para las inventigaciones y desarrollo de esta energía.


Vista longitudinal del ITER (International Thermonuclear Experimental reactor) es un reactor nuclear de fusión que se está contruyendo al sur de Francia para el desarrollo de la fusión nuclear.

Este reactor, el ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), actualmente en fase de diseño y construyendose en Francia, está concebido para producir diez veces más energía de la necesaria para inducir la fusión, mediante el modelo Tokamak. Para el diseño y construcción de este gran reactor se han asociado la Unión Europea, Rusia, EE.UU. China, Corea del Sur, India y Japón, ya que el esfuerzo tecnológico y económico no puede ser afrontado por un solo país (El costo estimado total del proyecto se calcula en unos 10.300 millones de euros en los próximos 10 años, es decir para el 2018 y empezar a producir quizá para el 2030). Con una altura total de 30 metros y una anchura de 40, la vasija del ITER, en forma de donut, tendrá un radio de 6,2 metros, 5.400 toneladas de peso, y una capacidad de generación de 500 MW, el equivalente a la producción de una planta eléctrica de tamaño medio. El sistema de confinamiento magnético, fabricado con materiales superconductores, inducirá una corriente eléctrica en el plasma para mantenerlo en condiciones estables. Las temperaturas tan elevadas cambian la materia de estado y la convierten en plasma (muy parecido a los relámpagos). Este plasma, si es rodeado convenientemente por una serie de campos magnéticos, se conseguiría separar la temperatura del interior del reactor, culminando definitivamente el sueño de la fusión. Si bien, algunas particulas de rayos X escaparían de los campos magnéticos calentando el entorno. Para esto, en torno a la reacción, se han construido unas paredes de acero de varios metros de grosos, con tuberias llenas de agua fría. Esto permite que el calor residual sea convertido rápidamente en vapor de agua y, a su vez, el vapor sirva para mover unas turbinas y generar la energía suficiente para mantener encendida la fusión. La reacción de fusión se mantiente, por tanto, por sí misma.

VENTAJAS DE LA FUSION NUCLEAR

Como hemos visto la fusión nuclear no solo plantea soluciones al problema de la energía a nivel mundial, sino que acabaría para siempre con el consumo de combustibles fosiles tales como el petroleo y el carbón, lo cual reduciría el impacto ambiental a nivel mundial ofreciendonos nuevas y mejores oportunidades de desarrollo y sustentabilidad a escala global para siempre.

Entre las ventajas mas destacables de este tipo de energía podemos señalar:

La fusión nuclear es una energía limpia ya que no produce gases nocivos y ademas su generación de residuos nucleares es de muy baja actividad.

Un reactor de fusión nuclear es intrínsecamente seguro ya que la propia reacción se detiene al cortar el suministro de combustible. No depende de ningún sistema externo de seguridad susceptible de errores. tan simple como eso ya que se sustenta a si misma.

Es una fuente inagotable de energía ya que el Deuterio existe en abundancia en la naturaleza y el Tritio es generado dentro del propio reactor a partir del Deuterio. ¿no suena fabuloso?

Aquí un cuadro estadístico comparativo entre la energía generada por tres de las fuentes mas conocidas en la actualidad:

Con un gramo de hidrógeno lograríamos, mediante la fusión nuclear, en una hora, más de 11 veces la energía que en un reactor nuclear produciría actualmente mediante fisión y 49 veces más que la energía solar que se consume en un año en España. Concretamente, obtendríamos 173.000 KW/h con un gramo de hidrógeno, mediante fusión nuclear; 3500 KW con la energía solar; y 15000 KW/h en un reactor de fisión nuclear.

Entonces con todos estos antecedentes.... ¿es posible reproducir la energía del sol en la tierra?...

REFERENCIAS:

http://energia-nuclear.net/

http://www.cienciapopular.com/n/Ciencia/Fusion_Nuclear/Fusion_Nuclear.php

http://globedia.com/

Fisica para ciencias e ingenieria - Raymond Serway

Fisica contemporanea - Jones & Childers - Ed Mc Graw Hill