Fusión Nuclear

Fusión Nuclear
Fusión nuclear (en las estrellas) http://www.astrophysicsspectator.com/topics/stars/FusionHydrogen.htm
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Fusión Nuclear: La energía de las estrellas
La reacción de fusión es unas cuatro millones de veces más energética que una reacción química como la combustión de carbón, petróleo o gas. Mientras que una planta de 1 000 MW de electricidad con carbón requiere 2,7 millones de toneladas de carbón al año, una planta de fusión del tipo Demo, previsto para la segunda mitad de este siglo sólo requiere 250 kilos de combustible al año.
La fusión nuclear brindará ≈4x106 veces la energía de cualquier combustión química.
Ver: Centrales térmicas y nucleares . Pallares Huici, Domingo Enrique (7/2009) capitulo 13
http://dspace.upv.es/xm
lui/bitstream/handle/10
251/5881/Cap‐
13.pdf?sequence=45
1gr de CH4: 14 Kcal
1gr de D: 55+106 Kcal
En principio, la fusión es posible con muchos elementos livianos ( Ver: T. Hamacher, A. Bradshaw, Fusion as a future power source: recent achievements and prospects, Proceedings 18th WEC, Buenos Aires, 2001 y:
ITER, the major step towards fusion energy for the world, Professor Tran Minh Quang, Dr. Federico R. Casci Efda Close Support Unit, Garching, Germany. Proceedings 19th
Wec Sydney, 2004). Entre todas las reacciones, la fusión del deuterio (D) y tritio (T), que convierte a los dos isótopos de hidrógeno a helio más un neutrón, es la que tiene posibilidades más altas de fusión y es la reacción seleccionada para las plantas de fusión del de futuro: D + T HE (3.5 MeV) + N (14 MeV). Los núcleos de helio se llevan el 20 por ciento de la energía de reacción de fusión (3.5 MeV) y los neutrones el 80 por ciento (14 MeV). En forma simplificada, un gramo de la mezcla deuterio tritio produce 90 MWh de energía térmica que al 33 % de rendimiento equivalen a 30 MWhr. El deuterio está en el agua en una concentración de 35 gramos por el metro cúbico. El tritio tiene vida media corta (12,3 años) existe en la naturaleza en bajas concentraciones, pero puede formarse por la reacción con Litio
Li +N T + He +4.86 MeV. El Litio está disponible en la muchas salinas y en el agua de mar. Se estiman 800 millones de toneladas en recursos terrestres y 230.000 millones de toneladas en el mar ( 0.17 gramos por el metro cúbico), Hay recursos de litio suficientes para más de 1.000.000 años suponiendo el reemplazo de todas las energías por la fusión nuclear. O sea, es sustentable…
Para qué molestarse?
n Enough lithium for millions of years (water for billions)
n Lithium in one laptop battery + 40 litres of water
used to fuel a fusion power station would provide 200,000 kW‐hours =
per capita electricity production in the USA for 15 years
in an intrinsically safe manner with no CO2 or long‐lived waste
70 tonnes
Sufficient reason to develop fusion power, unless/until we find a barrier
Fussion :Will it ever become a reliable and competitive source of energy? If so, when?
Chris Llewellyn Smith Former/First Chair ITER Council‐ Former Director UKAEA Culham/UK Fusion Programme Former Director General of CERN President SESAME Council Oxford Physics
XXI WEC, Montreal, Canada, 9/2010) Porqué lleva tanto tiempo?
nGrandes desafíos: Por ejemplo, mantener ~2000 m3 de gas a ~ 100 millones ºC, sin que toque las paredes.
nEsto fue hecho con ~100 m3 de plasma durante algunos minutos. nDesarrollar materiales para las paredes (capaces de soportar el bombardeo de neutrones y altos flujos de energía) – Se está haciendo.
n Garantizar confiabilidad de sistemas muy complejos.
n No se puede demostrar en pequeña escala: (Energía producida/ Energía para funcionar) crece más rápidamente que el cuadrado del tamaño del equipo.– necesita producir GW para ser viable nNunca se planteó el desarrollo con urgencia (< $$$). Si se lo hubiera hecho, luego del descubrimiento del método para confinar el plasma en 1969, se podría haber llegado al grado de desarrollo de hoy hace 15 años.
Fussion :Will it ever become a reliable and competitive source of energy? If so, when?
Chris Llewellyn Smith Former/First Chair ITER Council‐ Former Director UKAEA Culham/UK Fusion Programme Former Director General of CERN President SESAME Council Oxford Physics
No es demasiado complejo lograr la fusión. Si, es obtener energía del proceso…
Equipo de fusión a escala laboratorio
http://www.cientificosaficionados.com/tbo/fusor/fusor.htm
http://www.fusor.net
(textual) Aquí se ve el fusor en funcionamiento. Debe observarse que la cúpula de cristal es una ensaladera de pírex, de coste 4 €. La rejilla exterior es de inoxidable y la interior de circonio. El diseño de rejilla espiral no se había realizado antes, resulta mucho mas simple que los anteriores. El color azulado se debe a la fluorescencia del vidrio pirex al ser bombardeado por electrones.
http://www.cientificosaficiona
dos.com/tbo/fusor/fusor.htm
Fusor Farnsworth
Se trata de la realización un aparato que consigue que dos núcleos de deuterio se “fundan”
en un núcleo de helio. En la reacción se desprenden neutrones y energía. Esta reacción es del tipo de las que se producen en el Sol y es la las reacción nuclear que se propone para conseguir energía en el futuro. Se emplea una técnica denominada confinamiento electrostático. En este aparato se emplean técnicas de vacío, alto voltaje, detección de neutrones y manejo de gases. La presión es menor a 0,01 mm de Hg.
Fusión nuclear
FUSION AS A FUTURE POWER SOURCE: RECENT ACHIEVEMENTS AND PROSPECTS (DS 6‐5)T. HAMACHER AND A.M. BRADSHAW
ROLE OF FUSION ENERGY FOR THE 21 CENTURY ENERGY MARKET AND DEVELOPMENT STRATEGY WITH INTERNATIONAL THERMONUCLEAR
Energía comercial
EXPERIMENTAL REACTOR (ITER) DS6‐10KIKUCHI MITSURU; INOUE NOBUYUKI
JAPAN ATOMIC ENERGY RESEARCH INSTITUTE; KYOTO UNIVERSITY, JAPAN
Dos sitios posibles.
Fusión Nuclear: La energía de las estrellas
Este es el sistema de confinamiento de plasma seleccionado. Pero no es el único que se está investigando.
Se necesitan cientos de millones de grados para que la reacción sea auto sostenible. El plasma en reacción es confinado magnéticamente en un esquema toroidal. Interior del reactor JET (Joint European Torus) de la C.E.E. http://www.jet.efda.org/images/gallery/pages/j96‐167.htm
En operación a la derecha. Foto del plasma. http://www.jet.efda.org/images/gallery/pages/jg99‐518‐1bmed_jpg.htm El ITER tendrá Q=10 (consumo de 50 Mwhr y producción momentánea de 500 Mwhr). Hasta ahora el Q máximo (logrado en el JET)es de 0,7. El reactor japones JT60 es el que ha logrado triple producto más alto. Y el sistema NIF de Livermore, California es el que ha alcanzado las temperaturas más altas, de varios cientos de millones de grados ºC.
Fusión Nuclear: reactor piloto en construcción
Sector ya construído.
http://www.iter.org
490000 Kcal/m2
¿?(2019)
Sistema magnético superconductor
Confinamiento magnético de plasma en el tokamak superconductor de Corea, KSTAR. El plasma irradia en un espectro que nuestros ojos no pueden ver. Lo que es visible en esta imagen son las regiones más frías en el borde exterior del plasma. Foto: KSTAR.
El estado de un plasma muy caliente y su cercanía a la condición de encendido puede caracterizarse por el producto de la temperatura, la densidad y el “tiempo de confinamiento energético”. El valor de esta última variable describe la capacidad del plasma para mantener su alta temperatura; en otras palabras, es una medida del grado de aislación del plasma. El encendido del plasma, que es la situación en el cual la energía producida es mayor que la energía consumida, sólo puede lograrse si este "triple producto de fusión“ Densidad x Tiempo de confinamiento x Temperatura supera un determinado valor. Las temperaturas necesarias para “encender” el plasma están entre los 100 y 200 millones de grados ºC.
No entraré en la deducción matemática del criterio de Lawson , formulado inicialmente en 1957, ni en la evolución del mismo hasta llegar al concepto actual del triple producto‐ Se puede ver la deducción matemática (bastante sencilla) en las páginas 511 a 515 del libro: Centrales térmicas y nucleares . Pallares Huici, Domingo Enrique (7/2009) capitulo 13
http://dspace.upv.es/xmlui/bitstream/handle/10251/5881/Cap‐13.pdf?sequence=45
El valor del triple producto mínimo para que se produzca la ignición del reactor, es decir para que la energía de fusión sea mayor que la energía suministrada al plasma es, expresada en grados Kelvin:
nT ζE ≥ 3,315+1028 ºK*s*m‐3
N: número de iones/volumen
T :Temp. en ºK
ζE : Tiempo de confinamiento energético
Fusión Nuclear: ¿cuan lejos estamos?
Evolución del triple producto a lo largo del tiempo: comparación con módulos de memoria.
Relación con la temperatura del plasma
El auto mantenimiento de la reacción se espera para el 2019. La construcción de la planta demostrativa, para 2035; entraría a la red hacia 2045.
Pero depende de la prioridad económica que se le de al proyecto (flujo de fondos…) Ver: Centrales térmicas y nucleares . Pallares Huici, Domingo Enrique (7/2009) capitulo 13
http://dspace.upv.es/xmlui/bitstream/handle/10251/5881/Cap‐13.pdf?sequence=45
Stellarator japones ver http://www.ornl.gov/fed/stelnews
Large Helical Device, Toki, Gifu, Japan Ver http://www.lhd.nifs.ac.jp/en/home/lhd.html
Gràfica de bobinas magnéticas y del plasma del Wendelstein7_x , en construccion en el Max Plank institute, Alemania. Ver http://www.ipp.mpg.de/de/for/projekte/w7x/for_proj_w7x.html
Usa un sistema de contención de plasma diferente al del Tokamak, en el cual hay circulación de corriente a través del plasma; este usa un campo magnético denominado heliotrón.
National Ignition Facility Se logró ignición en Octubre de 2010…
Recipe for a Small Star
Take a hollow, spherical plastic capsule about two millimeters in diameter (about the size of a small pea)
Fill it with 150 micrograms (less than one‐millionth of a pound) of a mixture of deuterium and tritium, the two heavy isotopes of hydrogen.
Take a laser that for about 20 billionths of a second can generate 500 trillion watts – the equivalent of five million million 100‐watt light bulbs.
Focus all that laser power onto the surface of the capsule.
Wait ten billionths of a second.
Result: one miniature star.
In this process the capsule and its deuterium‐tritium (D‐T) fuel will be compressed to a density 100 times that of solid lead, and heated to more than 100 million degrees Celsius – hotter than the center of the sun. These conditions are just those required to initiate thermonuclear fusion, the energy source of stars.
The National Ignition Facility, or NIF, is a laser‐based inertial confinement fusion (ICF) research device located at the Lawrence Livermore National Laboratory in Livermore, California. NIF uses powerful lasers to heat and compress a small amount of hydrogen fuel to the point where nuclear fusion reactions take place. Ver https://lasers.llnl.gov/
El proyecto LIFE El éxito en el NIF servirá como un trampolín para LIFE, una tecnología híbrida que combina los mejores aspectos de la fusión nuclear, una energía limpia, inherentemente segura y prácticamente con la fisión, una tecnología de energía confiable, libre de carbono que actualmente proporciona aproximadamente el 16 por ciento de la electricidad de todo el mundo. A través de la combinación de la fusión y la fisión, plantas de energía podrán generar gigavatios durante 50 años evitando las emisiones de dióxido de carbono, resolviendo la proliferación nuclear y eliminando los desechos nucleares a largo plazo. Los inventarios actuales y futuros de combustible nuclear gastado, uranio natural y empobrecido y plutonio podrían producir suficiente para todo el mundo por cientos de años. Ademas de brindar una ventaja tecnologica importante en la generacion de energias para dentro de 10 años.
Ver https://lasers.llnl.gov/about/missions/energy_for_the_future/life/
Las cosas difíciles se
pueden hacer
rápidamente. Las
imposibles llevan un
poco más de tiempo…