La Fusión Nuclear. Introducción
La fusión nuclear se basa en la energía que se libera de la unión entre los átomos. Concretamente en la fusión intervienen dos isótopos del hidrógeno, el tritio y el deuterio. Se utilizan estos isótopos pues para que se produzca la fusión de los átomos -su unión- es necesario que sus núcleos tengan la mínima fuerza de repulsión, y esto se logra precisamente con los átomos más ligeros, los de hidrógeno, que sólo tienen un protón en su núcleo.
Un átomo está compuesto por un núcleo, formado por neutrones con carga eléctrica positiva y neutrones sin carga eléctrica. A su vez, rodeando al átomo hay la envoltura electrónica a base de electrones, de carga eléctrica negativa.
Para que la fusión sea posible hay que vencer las fuerzas de repulsión electrostática entre dos núcleos igualmente cargados; esto es, al existir núcleos atómicos con igual carga, y dado que cargas iguales se repelen, hay que aplicar una gran energía para conseguir la unión de las mismas.
Esto se logra aplicando temperaturas de millones de grados. El problema viene de la dificultad de encontrar un reactor que aguante esa temperatura.
Con este calor se crea un nuevo estado de la materia, el plasma, en el que iones y electrones se hallan en total desorden.
Una vez acabada la reacción de fusión nos encontraremos con una esfera expandida con una temperatura de millones de grados en la que estan los productos de la fusión (litio e isótopos del hidrógeno).
Cada gramo de Hidrógeno produce del orden de 173.000 Kilovatios/hora.
El proceso de fusión a nivel atómico
Veamos qué ocurre a nivel atómico para que se lleve a cabo la fusión.
El doctor Henry Kendall, profesor del Instituto Tecnológico de Massachussetts, puso un ejemplo muy gráfico:
"Supongamos que un pequeño cuenco en una tabla horizontal fuera un núcleo, y que una bola de acero de un tamaño muchísimo menor fuera una partícula. Si empujamos (con cierta energía) la bola por la tabla hacia el cuenco caerá rodando por uno de sus lados y subirá por el opuesto, saliéndose del mismo. Por otra parte, si se suelta la bola dentro del cuenco en uno de sus lados a medio camino del fondo, subirá hasta igual altura por el otro lado, volverá al punto de partida, y si no existen influencias externas (tales como el rozamiento), seguirá oscilando eternamente.
Pues bien, el problema de la fusión consiste en introducir la bola de acero en el cuenco y lograr que permanezca en su interior en lugar de salirse. Esto sólo lo podrá hacer cediendo energía de algún modo. En la fusión se llama energía de enlace a la cantidad de energía que debe ceder la partícula externa para quedar atrapada en el cuenco. Un buen ejemplo de esta pérdida de energía es la producida fusión del deuterio y el tritio, dos isótopos del hidrógeno.
El núcleo del tritio contiene un protón y dos neutrones, y el del deuterio un protón y un neutrón, dando un total de 5 partículas. En la fusión de esos isótopos, cuatro de las partículas -2 neutrones y 2 protones- se unen con gran fuerza, siendo capaces de expulsar violentamente al neutrón restante, desprendiéndose así de la cantidad de energía necesaria. Esta es la energía que libera una reacción de fusión.
Cuando las anteriores 4 partículas han hecho esto pueden rodar por su cuenco sin que nada les moleste, pero para lograr esto hay que comprimir fuertemente los núcleos. Sólo en ese momento la fuerte interacción puede extender sus cortos pero potentes brazos en ese abrazo que desencadena la energía explosiva de una bomba de hidrógeno".
Hay formas de conseguir la energía nuclear de fusión que se están experimentando actualmente, el confinamiento magnético y confinamiento inercial.
Confinamiento magnético.- Se consigue crear y mantener la reacción gracias a grandes cargas magnéticas que hacen las veces de muros de contención de las cargas nucleares.
Confinamiento inercial.- El calentamiento se consigue con láser y el confinamiento del plasma con la propia inercia de la materia.
La investigación actual se está inclinando más por el confinamiento magnético, habiéndose descubierto recientemente un nuevo método para mantener la reacción, cambiando el campo magnético de la forma cilíndrica a otra aproximadamente en forma de cuerno de toro.
La reacción de fusión se suelen conseguir por la unión del tritio y el deuterio (isótopos del hidrógeno) para conseguir una partícula alfa logrando el calor necesario.
El deuterio se encuentra en un 0'15% en el hidrógeno, y el tritio se extrae del litio, muy abundante en el agua, por lo que no hay problemas en cuanto a estas materias primas.
Comparativamente, la energía de fusión proporciona más energía que la de fisión. Por ejemplo, medio kilo de hidrógeno (muy abundante en la naturaleza, ya que forma parte del agua) produciría unos 35 millones de kilovatios hora. Por otro lado la fusión no contamina, o al menos, no tanto como la fisión, no existiendo peligro de radioactividad.
En el reactor español de fusión TJ-II del CIEMAT, se ha confinado plasma a una temperatura similar a la del sol. El objetivo de este reactor no es conseguir la fusion y generar electricidad, sino estudiar el comportamiento del plasma.
El TJ-II tiene un peso de 60 toneladas y un diámetro de 5 metros, y funciona calentando hidrogeno inyectado en su interior.
Hasta el momento se han logrado en 120 ocasiones plasma, durando cada prueba un segundo.
Reacciones Nucleares
Los núcleos atómicos están formados por protones y neutrones empaquetados de forma enormenente compacta en una pequeña región del espacio. A estos elementos comunes de todos los núcleos se les denomina nucleones. Los protones y los neutrones tienen una masa prácticamente idéntica, 1836 veces mayor que la de los electrones. El radio del núcleo viene dado aproximadamente por la expresión:
donde r=1.5 x 10-13 cm y A es el número de nucleones. Z es el número de protones en el núcleo, y en consecuencia la variación de A-Z para una Z determinada es la que da lugar a los isótopos. Los isótopos del hidrógeno, el deuterio y el tritio, son los más relevantes para fusión en la actualidad, como veremos más adelante. Muy frecuentemente los isótopos de un elemento natural son radiactivos y se transforman de manera espontánea en otros. El tritio, por ejemplo, presenta una débil emisión ß (Beta con energía media de 5.7 keV y máxima de 18.6 keV) y con una vida media de 12.35 años. Pero este fenómeno no será importante para la fusión pues en la escala de tiempos característicos en que ocurren los procesos de fusión ocurirrá muy raramente.
En los procesos de fusión, dos núcleos de átomos ligeros se combinan o fusionan para dar lugar a uno más pesado, tendiendo también hacia el hierro. Es este último proceso de fusión el que lleva a las estrellas, al final de sus vidas, a tener un núcleo de hierro. Tanto en el caso de la fisión como en el de la fusión se libera una considerable cantidad de energía equivalente a la disminución de la masa de los productos finales con relación a los productos iniciales. Se cumple la famosa ecuación de Einstein:
Para que se forme un núcleo es preciso que los atomos se acerquen a distancias del orden del alcance de las fuerzas nucleares. Para superar las fuerzas de repulsión culombiana, dos protones tendrán que superar dicha fuerza que actúa como barrera, antes de que la atracción de las fuerzas nucleares entre en juego. Las fuerzas de repulsión culombianas son proporcionales a la carga de los núcleos que interaccionan, y por ello, los plasmas de la familia del hidrógeno son los más adecuados para conseguir fusión.
Existen diversos tipos de reacciones de fusión aprovechables desde el punto de vista energético. De entre todas las que implican isótopos de hidrógeno, la reacción deuterio-tritio es la que presenta mayor sección eficaz (probabilidad) para temperaturas relativamente bajas y, por tanto, es la más fácil de obtener de manera controlada. La reacción genera un neutrón de alta energía y helio.
En nuestro planeta el deuterio es abundante en el agua del mar (30 g/m3), pero el tritio no existe en estado natural ya que es radiactivo con una vida media de 12.36 años y hay que producirlo. En un reactor de fusión los neutrones, que llevan el 80 % de la energía producida, se absorberán en una cobertura (del propio reactor) generadora de tritio o manto fértil que envolverá la parte central del reactor y que contendrá el litio que se transformará en tritio y helio:
El litio natural (92.5% 7Li y 7.5% 6Li) es un elemento abundante en la corteza terrestre (30 ppm: partes por millón) y en menores concentraciones en el mar. El espesor del manto debería ser lo suficientemente grande para frenar los neutrones (de 14 MeV) producidos por las reacciones de fusión. Los neutrones se combinan con el litio para producir tritio.
Y la base de la producción FINAL de calor está en que:
| Al frenar los neutrones, el manto fértil se calienta y el refrigerante que circula en su interior transfiere el calor fuera del área del reactor para producir vapor de agua que generará finalmente electricidad de un modo convencional. |
Plasmas de Fusión
En laboratorio, para vencer la repulsión electrostática entre los núcleos que se quieren fusionar, es necesario comunicarles mucha energía; esto se consigue calentándolos a elevadas temperaturas. En estas condiciones la materia se encuentra en forma de gas ionizado llamado plasma.
El 99% del Universo está constuido por plasmas, o sea materia ionizada, pero en la naturaleza existe una enorme variedad de plasmas que no cumplen necesariamente las condiciones de altas temperaturas de plasma para fusión.
Para conseguir un rendimiento aceptable en una reacción de fusión, es necesario calentar el plasma a temperaturas muy altas y alcanzar densidades, n del orden de 1020 partículas/m3 durante tiempos T del orden de segundos. Es decir, el producto 'n x T' debe superar una cota mínima, denominada criterio de Lawson, a temperaturas del orden de 100 millones de grados. El objetivo de la investigación de la fusión controlada es lograr y mantener la combustión del plasma mediante el aporte de energía de los propios subproductos de la fusión, confinados en el plasma.
En un reactor de deuterio-tritio (D-T) la energía cinética de las cenizas de helio mantendrá la temperatura necesaria para que las reacciones se sigan produciendo y no se requiera calentamiento exterior.
Una característica del plasma es que se puede confinar mediante campos magnéticos. En ellos, las partículas cargadas del plasma describen trayectorias en forma de espiral a lo largo de las líneas de campo magnético.
La ecuación de movimiento de la partícula es:
donde a = aceleración ; m = masa ; B = Campo Magnético ; e = carga de la particula ; c = vel. de la luz ; v = vector de velocidad perpend. a B.
La particula describirá circulos en torno al campo B y con el denominado radio de Larmor (rL) expresado asi:
Siendo v* = componente perpend. al campo magnético B.
La suma del movimiento circular y de traslación con velocidad vt de traslación, dan lugar a una trayectoria helicoidal con un momento magnético Mm igual a:
donde Em es la Energía magnética de rotación de la particula.
El Proyecto ITER
Científicos e ingenieros de Canadá, Europa, Japón y Rusia están trabajando, en una colaboración internacional sin precedente, en el desarrollo de la fusión nuclear - ITER.
La misión de ITER es demostrar la viabilidad científica y tecnológica de la energía de la fusión para la producción final de energía utilizable para la sociedad.
Para llevar a cabo este propósito, el ITER demostrará la producción de forma moderada y controlada de energía, demostrará la integración de la física y la tecnología y elementos clave requeridos para utilizar la fusión como fuente de energía práctica.
El ITER es el primer paso en la producción de energía termo-eléctrica a partir de la fusión nuclear.
El ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) es un reactor de fusión experimental basado en el concepto del "tokamak", una configuración magnética (en forma de anillo toroidal) en la cual se crean y mantienen las condiciones para realizar reacciones de fusión controladas.
En el ITER, grandes bobinas alrededor de un recipiente toroidal confinan y controlan una mezcla de partículas cargadas - el "plasma" - e inducen una corriente eléctrica a través de ella.
Las reacciones de la fusión ocurren cuando el plasma llega a ser lo bastante caliente, denso y mantenido el tiempo necesario para que los núcleos atómicos del plasma comienzen a fundirse unos con otros.
El concepto del tokamak fue desarrollado inicialmente en Rusia y se ha mantenido un alto nivel en su desarrollo en todos los programas de fusión del mundo.
El ITER será mucho más grande, dos veces las dimensiones lineales del tokamak existente más grande. Estas son las características del desafío a este proyecto.
Las Ultimas Noticias
Depués de la 8ª reunión (N8) de los negociadores en Febrero, las negociaciones del ITER se encuentran ahora en una fase crítica y que se resolveran, inicialmente en Mayo, con la reunión de los negociadores para programar una reunión final antes del verano.
En la práctica, debido a la guerra en Iraq así como las dificultades prácticas impuestas por el SARS, el proceso de las discusiones a un nivel más alto, se ha pospuesto para más adelante no habiendo fecha programada para la reunión N9. Sin embargo una reunión preparatoria se celebró en abril para alcanzar un acuerdo común en el procedimiento de toma de decisión de cada parte y para identificar los problemas y temas para las discusiones de alto nivel.
Se espera que esta sea en Viena el 19 de Junio de 2003.
Entre tanto, las negociaciones están continuando en su nivel operativo de funcionamiento con el NSSG.
A finales de mayo, Corea del Sur indicó sus intenciones a los participantes actuales de ITER a sus deseos de oarticipar en las negociaciones del ITER en su puesta en práctica común, proponiendo hacer una contribución a los costes y estar preparada para la reunión siguiente en junio.
Bases Físicas del Proyecto
Las bases físicas en las cuales se basa el diseño y funcionamiento del ITER son definidas y desarrolladas por equipo central común, ahora equipo internacional, y por los físicos especialistas en la fusión aportados por los participantes en el proyecto.
Diseño Físico del ITER
Las metas principales que se propone el ITER son:
Vista General del Reactor ITER
Un resúmen detallado del conocimiento actual de la física del ITER en detalle y de la física del tokamak en general, fué hecho público en 1999. La física del ITER se basa en los datos recogidos en los actuales tokamaks experimentales y en los modelos físicos para diversos procesos del plasma, así como en los códigos numéricos creados para la extrapolación del funcionamiento del plasma a escala y parámetros del ITER.
Los numerosos grupos con participación o no en el proyecto, proporcionan datos para cada una de las áreas principales del mismo y son enviados anualmente al comité de coordinación. Este "comité de la física" fija las prioridades de la investigación para la física de la fusión.
Además, se debe demostrar la posibilidad de operar a relaciones Entrada/Salida más altas si las condiciones son favorables al confinamiento si este es alcanzado.
