ENERGÍA NUCLEAR DE FUSIÓN

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ENERGÍA NUCLEAR DE FUSIÓN
13.1. Datos básicos .............................................................................321
13.2. Tecnología de la energía de fusión .................................................323
13.3. Perspectivas ...............................................................................325
319
320
13. ENERGÍA NUCLEAR DE FUSIÓN
13.1. Datos básicos
a) Origen:
Su origen se encuentra en la fusión de dos núcleos atómicos para dar lugar
a la aparición de otro núcleo más pesado, pero algo menos que la suma de
los dos iniciales.
Esa diferencia se transforma en energía, según la conocida expresión
E = m·c2.
Para que una reacción de fusión pueda tener lugar se precisa acercar lo
suficiente los dos núcleos atómicos a unir, lo que implica vencer las fuerzas
de repulsión culombiana, que a estas escalas resultan ser muy grandes.
La combinación de elevada presión, eleva densidad y eleva temperatura
en una sustancia conduce a que los electrones queden liberados de los
núcleos y se alcanza un estado de la materia denominado “plasma”. En
estas condiciones, la cercanía de los núcleos, además de su elevada energía
cinética (temperatura muy alta), permite vencer la repulsión culombiana y
hacer posible las reacciones de fusión.
El Sol, (y todas las estrellas) es un enorme reactor de fusión, formado
principalmente por H2, que al unirse entre sí, forman átomos de helio (He),
(un átomo de He tiene una masa algo menor que los dos de H2), liberando
una gran cantidad de energía, de acuerdo con la expresión:
41H + 2e → 4He + 21n + 6 fotones +26MeV
Para que esta reacción pueda tener lugar se precisa una presión de 108
bares (posible dada la enorme masa del Sol, y las consecuentes fuerzas
gravitatorias), una temperatura de 107ºK (>100 millones de ºC) y una
densidad de 104ºKg/m3.
(En el sol, cada segundo, 564 millones de Tn de H2 se transforma en 560Tn
de He, con una temperatura de 20 millones de ºC y presiones de 100.000
millones de atmósferas)
Conseguir estas condiciones en la Tierra es un arduo problema, aunque
puede suavizarse si en lugar de hidrógeno se emplea hidrógeno pesado
(Deuterio) o superpesado (Tritio). Entonces las condiciones de inicio de la
reacción son más suaves: 100 millones de ºC y 100 billones de partículas por
cm3, simultáneamente.
(La bomba de H2 consigue tales condiciones utilizando una explosión de fisión
como detonante)
La reacción Deuterio-Tritio es la más fácil de conseguir, puesto que requiere
temperaturas relativamente más bajas (el deuterio 12H es muy abundante
en la naturaleza, encontrándose en un concentración de 30g/m3 en el agua
del mar; sin embargo el tritio 13H no se encuentra en estado natural, y se
produce en una reacción nuclear a partir del litio natural, que sí es abundante
en la naturaleza)
En la reacción, los neutrones fisionan el litio en helio y tritio, para
posteriormente fusionarse al deuterio y el tritio y formar helio, liberando un
neutrón y gran cantidad de energía.
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Li + 1n = 24He + 13H + 1n + 2,5MeV
7
3
H + 13H = 24He + 1n + 17MeV
2
1
La reacción Deuterio-Deuterio es más difícil de conseguir.
En esta se produce helio y un neutrón, o también, tritio y un protón.
H + 12H = 23He + 1n + 3,2MeV
también
2
2
4
H
+
H
=
He + p + 4MeV
1
1
1
2
1
Deuterio
Tritio
Reacción Deuterio-Tritio
Litio 7
Helio 4
Neutrón
Neutrón
Fisión
del núcleo
de litio
Energía
Neutrón
Energía
Deuterio
Reacción Deuterio-Deuterio
Deuterio
Neutrón
Figura 13.1. Reacciones de fusión
b) Potencial Energético:
Tanto el deuterio como el tritio son sustancias muy abundantes en la Tierra.
1m3 de agua de mar contiene 1025 átomos de Deuterio, con una masa de
34,4 gr. y una energía de 8x1012 julios. (Equivale a 300Tn de carbón o 1.500
barriles de petróleo)
Ello significa que 1Km3 de agua de mar equivale a 300.000 millones de
Tn de carbón o 1.500 millones de barriles de petróleo. Como los océanos
tienen 1.500 millones de Km3 de agua, el empleo de 1% del deuterio del
océano equivale a 500.000 veces la energía de todos los combustibles fósiles
existentes.
En cuanto al tritio, puede obtenerse a partir de la fusión de los átomos de
litio, cuyas reservas también pueden considerarse ilimitadas.
c) Formas de aprovechamiento:
La única forma de aprovechamiento es producir calor y evaporar agua, para
su posterior conversión en energía mecánica mediante una turbina de vapor
y de estas, finalmente, obtener energía eléctrica.
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La formación de 1kg de H a partir de H2 libera una energía equivalente a
27.000Tn de carbón.
d) Reservas:
Pueden considerarse, a efectos prácticos, ilimitadas.
13.2. Tecnología de la energía de fusión
La tecnología de fusión se encuentra aún en fase “preexperimental”. El
problema radica primero en la producción del plasma (lo que requiere un
considerable aporte energético) y luego mantenerlo confinado el tiempo
suficiente, y en las condiciones de presión, temperatura y densidad, para
que las reacciones de fusión puedan iniciarse y mantenerse.
Dada la tendencia del plasma a difundirse (separándose los núcleos unos
de otros a gran velocidad), es necesario confinarlo en un espacio cerrado
de donde no pueda escaparse. Además, debido a las altas temperaturas,
el plasma no puede tocar las paredes de la vasija de confinamiento, no
sólo porque provocaría la destrucción de las paredes, sino porque mucho
antes de que esto ocurriera, la erosión de la misma contaminaría el plasma,
haciéndole literalmente desaparecer.
Existen en la actualidad dos tecnologías (probadas) para la confinación del
plasma: el “confinamiento magnético” y el “confinamiento inercial”.
En el confinamiento magnético, las partículas de plasma (cargadas
positivamente) se mantienen en una trayectoria toroidal por medio de un
campo magnético del orden de varias Teslas (100.000 veces más intenso
que el campo magnético terrestre)
Figura 13.2. Confinamiento magnético
Una vez confinado el plasma hay que cederle energía para alcanzar la
temperatura de ignición necesaria para desencadenar la reacción de fusión.
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Como el plasma magnéticamente confinado tiene una densidad muy baja
(1014 iones/cm3, inferior al estado sólido), la temperatura se debe elevar
hasta los 46 millones de grados. Para elevar el plasma a estas temperaturas
se utilizan técnicas de radiofrecuencia e inyección de neutrones acelerados.
Calentador de plasma
Vasija del reactor
Generador
de iones
Refrigerador
Acelerador
Deflector
de iones
Haz de partículas
Plasma
Figura 13.3. Calentador de plasma
El calor generado es recogido en un revestimiento de litio, que traspasa su
calor a agua, que es vaporizada y llevada a una caldera.
Revestimiento de litio para absorber neutrones
y comunicar calor al circuito de refrigeración
Turbina de vapor
Generador de
electricidad
Vapor
Refrig
e
rante
(agua
)
Plasma de deuterio y tritio
sufriendo fusiones y núcleos de helio
de alta energía que mantienen
el calor para la reacción
En el revestimiento el litio absorbe neutrones,
se fusiona y se trasforma en tritio, que se
incorpora al plasma
Figura 13.4. Circuito intercambiador de calor en reactores de fusión por
confinamiento magnetico
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En el confinamiento
inercial, el plasma
es de alta densidad,
baja temperatura y
muy bajo tiempo de
confinamiento.
El combustible está
confinado en un
recipiente
esférico de dimensiones
milimétricas, denominado “blanco de
fusión”.
Láseres
Circuito refrigerante
Turbina
de vapor
Generador
Expansión del plasma
formado por los láseres
Revestimiento de litio
para absorver neutrones
y comunicar calor al
circuito de refrigeración
Estación
Transformadora
Compresión de
la cápsula por
implosión
Al iluminar la superficie exterior del
blanco con un láser
muy potente se proHaces de láser
duce un proceso de
ablación de la suFusión en el núcleo
perficie del blanco
Capsula de
de la cápsula debido a
y su comprensión
plástico llena de
la alta presión y
hasta
densidades
temperatura
deuterio y litio
del orden de 100 a
1.000 veces la normal del combusti- Figura 13.5. Esquema básico de un reactor de fusión por confinamiento inercial
ble, lo cual además
induce una fuerte
subida de la temperatura (puede alcanzar los 40 millones de grados), dando
todo ello como resultado la fusión del material del blanco y la liberación de
la correspondiente energía. La eliminación el calor también se hace con un
revestimiento de litio refrigerado por agua.
13.3. Perspectivas
La primera planta experimental
construida para desencadenar una
reacción de fusión fue el reactor
JET (Join European Tourus) construida en 1991 en Inglaterra, y
correspondía a un sistema de confinamiento magnético.
En el JET se produjeron 16MW, durante 2 segundos, y se emplearon
100MW para calentar el plasma.
Pasados los dos segundos el plasma se volvía inestable y la fusión
nuclear se paraba.
Recogiendo las experiencias del
JET se ha desarrollado un nuevo
proyecto de reactor experimental
de fusión, denominado ITER (Internacional Thermonuclear Experimental Reactor), entre los años
1991 y 1998
Figura 13.6. Joint European Tourus (JET)
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Después de varias vicisitudes “políticas” (incluyendo la retirada temporal de
Estados Unidos del proyecto), en la actualidad se ha decidido su construcción,
en suelo francés.
En las figuras 13.7 y 13.8 se observan los diferentes componentes.
Bobinas
superconductoras
Barrera de
hormigón
Plasma
Divertor
Criostato
Figura 13.7. Esquema básico del International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER)
El reactor ITER tiene una altura de 30 metros y una anchura de 40.
El diámetro del eje del toro es de 12,4 metros, mientras que el diámetro
de su sección (no exactamente circular, si no en forma de D) es de 4m. El
volumen total de la cámara del reactor es de 837m3.
La intensidad del campo magnético es de 5,3 Teslas. La potencia introducida
en el sistema durante su funcionamiento normal es de 40MW, para producir
una potencia de fusión de 400MW (ganancia 10)
Aunque inicialmente se pensó en un reactor con capacidad para mantener
la reacción de fusión durante 20 minutos, los altos costes y la complejidad
de la marcha “en continuo” han llevado a que el modelo actual mantenga el
plasma confinado durante 3,7 segundos en plena reacción de fusión.
El reactor trabaja con una mezcla de deuterio y tritio, al que hay que elevar
su temperatura hasta los 100 millones de grados para la formación del
plasma.
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El sistema para elevar la temperatura de la mezcla a ese nivel absorbe una
potencia de 73MW .
Figura 13.8. Vista virtual del ITER
Para el aumento posterior de la temperatura hasta el nivel de ignición se
dispone de un ciclotrón de electrones, otro de iones y un acelerador de
neutrones, encontrándose aún en discusión al sistema a emplear. La potencia
a suministrar por la red durante esa aceleración alcanza los 400 MW (durante
décimas de segundo)
En torno al toro se sitúan 18 bobinas superconductoras (cada una de 290Tn,
14 m de alto y 9 de ancho) que suministran el campo magnético (en la parte
posterior va otra bobina de 840Tn y 12m, de altura)
Para facilitar la superconductividad de las bobinas se dispone de un criostato
y un depósito térmicamente aislado (que encierra la vasija y las bobinas), a
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una temperatura de -276ºC. Esta planta funciona con Helio, con una potencia
de refrigeración de 660KW.
Para evitar cualquier impureza de la cámara de fusión (que provoca una
disminución de la reacción de fusión) hay que provocar el vacío en su
interior.
La pared interior de la cámara de fusión tiene una estructura de mosaico
o escamas, encargada de absorber los impactos de las partículas de alta
energía que escapan del confinamiento magnético. Está formada por 421
módulos, fácilmente reemplazables cuando sean deteriorados.
El helio generado durante la fusión nuclear es extraído del toro por medio del
“divertor”, integrado por 54 módulos con un peso total de 12Tn.
Finalmente, todo el reactor está rodeado por una estructura de acero y otra
de hormigón armado que protege a los operarios de las radiaciones.
La construcción de ITER durará 10 años, con un coste de 4.750 millones de
euros. Se prevé una sucesión de experimentos en diferentes condiciones
de funcionamiento, que pueden implicar reformas estructurales, con una
duración de 20 años.
El coste total del proyecto superará los 10.300 millones de euros, e involucrará
a varios miles de ingenieros y físicos.
Si se confirmasen las expectativas (viabilidad técnica de los reactores de fusión
con confinamiento magnético) se construirá un nuevo reactor, denominado
DEMO donde ya se le acoplaría una turbina comercial para generar energía
eléctrica (con una potencia del orden de los 4000MW)
que descontando
la energía necesaria para inducir la fusión, la potencia real, conectada a la
red, sería de 1.300MW.
Este logro podría alcanzarse no antes del año 2.040.
En cuanto a las tecnologías basadas en el confinamiento inercial, en la
actualidad se encuentra a punto de terminarse la construcción de la instalación
NIF (Nacional Ignition Facility), en el laboratorio de Lawrence, Livermore, en
Estados Unidos, con el cual se pretende mostrar la viabilidad de este sistema
de reactor de fusión.
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