SET-TE: Fusión nuclear

SET-TE: Fusión nuclear
1.- Descripción general
La fusión nuclear es un proceso en el cual dos núcleos atómicos se funden
formando el núcleo de un único átomo. La pérdida de masa que se produce en el
proceso (para núcleos de átomos con número atómico menor al del hierro) se
convierte en energía, descrita a través de la conocida ecuación E = mc2, donde c es
la velocidad de la luz en el vacío. Este tipo de procesos se producen en entornos de
elevada densidad másica y temperaturas (estrellas) y se pretende reproducir de
forma controlada en nuestro planeta. De esta forma se establece el criterio de
Lawson, a partir del cual se señala que para lograr la ignición en reacciones de
fusión nuclear se debe conseguir que el triple producto de la figura de mérito de
densidad, tiempo y temperatura de confinamiento se sitúe por encima de un
determinado valor (figura 1).
Figura 1.- Representación de la figura de mérito de Lawson (producto de la fusión) frente a la temperatura central del ion
para distintos prototipos de reactor de fusión.
La reacción de fusión nuclear más estudiada y simple es la que genera helio a
partir de la reacción de deuterio y tritio (figura 2), produciendo una reacción
exotérmica con una energía de 14,1 MeV, varios órdenes de magnitud mayor que
las producidas por reacciones químicas que impliquen sólo ruptura de enlaces
electrónicos.
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Figura 2.- Esquema de la reacción nuclear de fusión a partir de deuterio y tritio.
Sin embargo, para que la reacción nuclear se produzca, se han de vencer las
fuerzas positivas repulsivas de los núcleos atómicos. Así, si estas fuerzas repulsivas
se trataran de vencer con la temperatura, sería necesario alcanzar 120 millones de
grados kelvin.
Otras formas de lograr la reacción de fusión nuclear son mediante confinamiento,
planteándose de tres tipos distintos:
1. Confinamiento gravitatorio: descartado en principio debido a las exigencias
de masa mínima (estrellas).
2. Confinamiento magnético: utilizando un plasma de partículas cargadas (el
proceso más estudiado actualmente).
3. Confinamiento inercial: aplicando un pulso rápido de energía a una parte
de un pellet de combustible de fusión se puede conseguir que, de forma
simultánea, implosione y generar calor a muy alta presión y temperatura. Si
el combustible es suficientemente denso y caliente, se puede conseguir la
reacción de fusión.
Con respecto a la estadística sobre producción de energía a partir de procesos de
fusión nuclear, lo más destacable es lo logrado con el reactor JET (Joint European
Torus) situado cerca de Oxford (Gran Bretaña). Este fue el primer reactor en utilizar
deuterio y tritio como combustible y aún mantiene el record del mundo de
generación de energía por fusión (1997): 16 MW de potencia durante 1 segundo,
demostrando también una capacidad de generar procesos de fusión de forma
continua de 4 MW durante 4 segundos. Estos procesos se generaron con una
relación potencia de entrada / potencia de salida de 0,64, llegando a calentar el
plasma hasta 300 millones de grados centígrados.
2.- Estado actual de la tecnología
La actividad tecnológica en el campo de la fusión nuclear se centra en sistemas
basados en confinamiento magnético y confinamiento inercial, que son los que
consideramos a continuación.
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Fusión por confinamiento magnético
Dentro de esta tecnología destaca de forma importante el dispositivo denominado
tokamak sobre el resto de configuraciones ensayadas para producir el
confinamiento magnético del plasma. Así, el tokamak es un tipo de dispositivo con
estructura toroidal en el que, para conseguir crear el plasma en equilibrio, las
líneas de campo magnético deben dibujarse de forma helicoidal en el toro, lo que
se consigue a partir de electroimanes y corrientes eléctricas dispuestos de forma
específica (figura 3).
Figura 3.- Esquema del tokamak.
El confinamiento se realiza dentro de una cámara de vacío (10-10 atmósferas) sobre
la que se sitúan bobinas con arrollamiento toroidal y poloidal para generar un
campo magnético de varios teslas (figura 4) que genere el confinamiento. El haz
de plasma actúa como circuito secundario del transformador, mientras que existe
un solenoide central que actúa como circuito primario. La superficie interior de la
cámara de vacío va recubierta de lo que se denomina “manto fértil”, formado por
litio y cuya función es generar tritio y recoger los neutrones y el calor generado. El
sistema se coloca dentro de un criostato para lograr las bajas temperaturas
necesarias.
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Figura 4.- Esquema del tokamak diseñado para ser el reactor de fusión del ITER.
Este sistema es el que ha sido utilizado para el JET y el ITER (International
Thermonuclear Experimental Reactor). El ITER es el mayor proyecto de fusión
nuclear actualmente en desarrollo en nuestro planeta, y tiene como objetivos
demostrar que es posible producir de forma constante energía eléctrica a partir de
la fusión nuclear. Se plantea producir 500 MW de potencia con una relación
potencia de entrada / potencia de salida >10, y con una vida útil de 20 años. Se
estima que serían necesarias 3.000 Tm de agua y 10 Tm de litio para mantener un
reactor de fusión de 1 GW funcionando durante 1 año. El consorcio que impulsa el
ITER está formado por la Unión Europea, que compromete el 45% del capital,
Estados Unidos, India, Japón, China, Corea del Sur y Rusia.
Otros dispositivos basados en confinamiento cuántico son los RFPs (reversed field
pinches) y los stellarator. En cuanto a los primeros, la idea de partida es la
compresión de un filamento conductor eléctrico formado por plasma, mediante
campos magnéticos. Se utiliza una estructura toroidal pero, a diferencia del
tokamak, a medida que se produce un desplazamiento radial, el campo magnético
invierte su dirección, de forma que se producen compresiones del plasma en
períodos cortos, lo que le permite trabajar con menores demandas de energía
aunque se vuelve más inestable (figura 5).
Figura 5.- Sistema Reversed Field Pinch de Padova (Italia).
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En cuanto a los sistemas stellarator, son uno de los primeros dispositivos utilizados
para confinar plasma con el objetivo de generar reacciones de fusión nuclear. En
este caso, la compresión del plasma se produce con menores densidades que el
Reversed Field Pinches, pero durante períodos más prolongados. El problema en
este caso es conseguir que las partículas más calientes (y apreciadas) no escapen,
lo que se logra mediante un sistema de campos magnéticos variables y
deformaciones mecánicas. Estas deformaciones mecánicas se suelen sustituir
también por arrollamientos helicoidales a lo largo del toro que generan un campo
eléctrico que produce un efecto similar al producido por las deformaciones
mecánicas (figura 6).
Figura 6.- Esquema del Stellarator.
Fusión por confinamiento inercial:
En este caso, los esfuerzos principales se localizan en la National Ignition Facility
(NIF) situada en el Lawrence Livermore National Laboratory de Estados Unidos,
terminada de construir en 2009 y que ya se encuentra ensayando el proceso de
fusión nuclear.
En este caso, dos láseres de fibra óptica dopada con ytterbio (denominados
“master oscillators”) producen un flash infrarrojo de 1053 nm y con una energía
del orden de nanojulios, el cual se divide en 48 haces que se hacen pasar por 48
preamplificadores de neodimio-vidrio que elevan su energía hasta los 6 julios.
Seguidamente, cada haz es, a su vez, dividido en 4, de forma que los 192 pulsos
pasan por amplificadores de vidrio de fosfato dopado con neodimio bombeados
con 7.680 lámparas flash de xenon que almacenan 400 MJ de energía eléctrica, y
se forma el haz principal. A continuación se utiliza una célula Pockels para atrapar
el haz y hacerlo volver a pasar por el sistema de amplificación hasta que alcanza
una energía de 6 MJ. A continuación se hace pasar el haz por unos convertidores
de frecuencia para convertir el haz infrarrojo primero en verde (527 nm) y
posteriormente en ultravioleta (351 nm), lo que es más efectivo para calentar el
blanco (figura 7). En este proceso su energía se reduce a 1,8 MJ, y dado que el
pulso es de 20 ns, la potencia alcanzada es de 500 TW (mayor que toda la
capacidad de generación eléctrica de Estados Unidos).
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Figura 7.- Esquema del sistema utilizado en la NIF (Science).
El blanco es una esfera hueca de berilio de unos pocos milímetros de diámetro,
que contiene 0,15 mg de deuterio y tritio enfriado a 18 K, formando así una fina
capa de hielo en la parte interior de la esfera. Esta esfera se coloca dentro de un
pequeño cilindro de oro denominado “hohlraum”, que con el pulso de luz
ultravioleta se calienta tanto que emite un pulso de rayos-X que hace que la esfera
de berilio explote, haciendo que el hielo de deuterio-tritio implosione hacia el
centro de la esfera generando una densidad 100 veces la del plomo lo que,
acompañado por la onda shock generada por la explosión de la cápsula de berilio,
permite predecir que la temperatura del combustible alcanzará los 100 millones de
grados kelvin, de forma que se produzca un proceso de ignición que genere más
reacciones de fusión.
Etapas de desarrollo:
En función del grado de penetración en el mercado, podemos señalar que los
sistemas estudiados se encuentran en una etapa de introducción, donde priman
las actividades de investigación y desarrollo. Sin embargo, se puede señalar que es
el confinamiento inercial el que se encuentra en una posición más avanzada
debido a la actividad demostrada por la NIF (figura 8).
Figura 8.- Estado del desarrollo de las dos tecnologías con mayores perspectivas dentro de la generación de energía a partir
de procesos de fusión nuclear.
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3.- Costes actuales y futuros escenarios
En relación a los costes, lo más aproximado surge de la información económica
sobre los grandes proyectos que se están llevando a cabo en el ITER y en la NIF.
Así, del estudio de evolución de costes del proyecto ITER se comprueba que,
aunque inicialmente el presupuesto del proyecto se estimaba en unos 4,5 miles de
millones de euros, las últimas previsiones anunciadas por la Unión Europea a
principios de mayo de 2010 elevan dicha cifra 12,1 miles de millones de euros[1].
Este incremento se ha atribuido a mejoras sobrevenidas en el diseño del reactor,
costes de organización (inicialmente sólo se planteaban 3 socios) y mejoras en el
proceso de control de calidad.
En el caso de la NIF, aunque inicialmente el presupuesto se estimó en mil millones
de dólares, finalmente la cifra alcanzó los 3,5 miles de millones, después de 7 años
de construcción[2]. Esto fue debido a que desde el principio surgieron problemas,
especialmente con los condensadores asociados a las lámparas flash de bombeo y
al polvo que se depositaba sobre los componentes ópticos.
4.- Tasa de retorno energético, emisiones de CO2 y costes
externos
No hemos detectado estudios al respecto, pero es evidente que las tasas de
retorno energético logradas hasta la fecha son ínfimas, considerando el enorme
aporte energético que requieren estas instalaciones para poder funcionar. Por otro
lado, dada la complejidad de los procesos constructivos, la necesidad de
combustible y otros materiales que se consumen durante su funcionamiento, las
emisiones de CO2 y los costes externos no son despreciables.
5.- Tendencias tecnológicas futuras
Fusión por confinamiento magnético:
En este caso, se puede señalar que los esfuerzos tecnológicos principales se
centran en la construcción del ITER, el cual deberá terminar de construirse en
2018, circulando ese mismo año plasma en su interior. La planificación está
trazada para que en la década 2030-2040 esté diseñado el primer reactor nuclear
comercial. Las características principales del ITER se exponen en la tabla 1:
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Tabla 1.- Principales características del reactor de fusión nuclear ITER.
Dentro del concepto de tokamak también se puede situar el desarrollo del toro
esférico, el cual, con algunas variaciones, trata de mejorar las condiciones de
confinamiento de plasma, especialmente en lo relacionado con la estabilidad.
De forma más específica, las tendencias tecnológicas futuras en este campo
apuntan a la necesidad de desarrollar nuevos materiales que garanticen el
adecuado funcionamiento de los reactores de fusión comerciales que pretenden
desarrollarse a partir de la iniciativa ITER. Especialmente se quiere indagar en
materiales que soporten adecuadamente la irradiación generada durante la
operación del reactor, especialmente nuevos tipos de acero inoxidable.
Además, ha de ganarse experiencia en el control del flujo de litio líquido dentro del
reactor, para lo cual se pretende utilizar la experiencia en el manejo de líquidos
corrosivos. En este sentido, también es crítico el control del proceso a partir del
cual el tritio se genera a partir de la captura de neutrones del plasma haciéndolos
colisionar con el litio y devolviéndolos de nuevo al plasma.
También es necesario avanzar en la simulación de los procesos que se producen
durante el confinamiento magnético. Esta simulación, que ha de ser llevada a cabo
mediante la utilización de superordenadores, también se dedicará al desarrollo de
los nuevos materiales.
Por último, se está estudiando la posibilidad de utilizar reactores de fusión nuclear
(principalmente el ITER) dentro de reactores de fisión, y ser empleados como
fuente de neutrones para controlar el agotamiento del combustible de fisión
nuclear, el cual se produce por una absorción desmesurada de neutrones
producidos en la reacción en cadena[3]. Esta idea no es nueva, pero el avance en el
desarrollo del proyecto ITER la hace tener más posibilidades de realizarse a largo
plazo.
Fusión por confinamiento inercial:
En este caso, el objetivo inicial es que los procesos de fusión que se produzcan en
la NIF lleguen a alcanzar los 100 MJ en energía generada por pulso incidente[4]. El
siguiente paso es conseguir incrementar el número de pulsos que se pueden
generar (2 pulsos al día en la actual NIF) hasta alcanzar un cierto número por
segundo, incrementar la eficiencia de los láseres a un 20 – 30% y poder fabricar
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las cápsulas de ignición a menor coste (figura 9). Así, se está impulsando el
proyecto HAPL (High Average Power Laser) con el objetivo de poder producir 10
disparos por segundo, óptica que pueda almacenar energía por períodos
prolongados de tiempo, una cámara de impacto que pueda absorber neutrones
del proceso de fusión y convertirlos en energía, y una factoría de cápsulas de
ignición. Se plantea utilizar un láser de gas fluoruro de kripton. También se están
planteando mejores versiones de láser de neodimio y sustituir las lámparas de flash
por diodos láser de estado sólido.
Figura 9.- Imagen recreando la cápsula en la que se sitúa el combustible e iluminada por el pulso (fuente: Science).
En Europa la estrategia es un poco distinta, queriendo emplear el proceso
denominado “fusión de ignición rápida”, en la cual se usa un láser para comprimir
el combustible y un segundo pulso con mucha potencia (1015 W) pero muy corto
para provocar el proceso de fusión. Este proceso podría disminuir las exigencias de
energía para los láseres.
De forma más específica, en estos sistemas hay que tratar de evitar dos focos de
inestabilidad: (i) interacciones láser-plasma, que se producen cuando el haz láser
incide en la pared interna del hohlraum de oro generando plasma, lo que reduce la
potencia sobre la cápsula de berilio; y (ii) inestabilidades hidrodinámicas, que hace
que la cápsula no implosione simétricamente. También hay que controlar el riesgo
de daño a la óptica del sistema.
6.- Hitos en preproducción 2008-2010
Primeros ensayos de la NIF[5,6]:
A principios de enero de 2010 se dieron a conocer los primeros experimentos
utilizando los 192 haces de la NIF sobre un blanco de prueba vacío de combustible,
comprobando que se acoplaban de forma eficiente y que el blanco implosionaba
de forma simétrica. Los pulsos utilizados eran de 0,7 MJ, un 40% del máximo que
se estima que puede proporcionar el NIF. Por otro lado, el pasado 6 de octubre de
2010 se ensayó con éxito el primer experimento de ignición integrado, en el cual el
láser de 192 haces disparó 1 MJ de energía sobre la cápsula (figura 10),
demostrando la adecuada integración de los equipos para iniciar la campaña de
ignición.
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(b)
(a)
Figura 10.- (a) Imagen de la cápsula de oro antes del proceso de ignición e (b) imagen del ensamblador de la cápsula
después del pulso láser (fuente: NIF).
Incertidumbre en la financiación del ITER[1]:
La Comisión Europea anunció el pasado mes de mayo de 2010 que su
contribución al proyecto ITER (figura 11) iba a tener que incrementarse desde los
4,5 a los 7,2 miles de millones de euros, lo que supone un déficit de 1,4 miles de
millones de euros con respecto al presupuesto previsto hasta 2013. La situación es
complicada, dadas las restricciones presupuestarias actuales en la UE y la
imposibilidad de recurrir a créditos por no ser identificable actualmente la forma
de poder financiarlo.
Figura 11.- Imagen aérea del lugar en el que se emplaza el ITER (Caradache, Francia).
Se inauguran los edificios de la “Broader Approach” en Rokkasho (Japón)[1]:
El pasado 27 de abril (y en plazo) se inauguraron los edificios que van a dar
cobertura a la “Broader Approach” asociada al desarrollo del ITER, en Rokkasho, al
norte de Japón. En estas instalaciones se pretende realizar buena parte de la
investigación necesaria para el buen desarrollo del proyecto ITER y otros futuros
reactores dedicados a la fusión nuclear, especialmente en lo concerniente a nuevos
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materiales y resistencia a la radiación. Para este cometido se contará con un
acelerador de partículas y el superordenador más potente de Japón, con el
cometido de poder simular los procesos que se ensayen.
7.- Hitos en innovación 2008-2010
Algunos científicos siguen insistiendo en la fusión fría y con burbujas[7]:
La fusión fría se planteó como la posibilidad de lograr procesos de fusión de
hidrógeno a temperatura ambiente (principalmente mediante procesos
electroquímicos), sin tener que recurrir a enormes exigencias de presión y
temperatura dentro del proceso, y en 1989 se publicó un trabajo por parte de los
científicos Martin Fleishmann y Stanley Pons que manifestaba que se había
logrado. Posteriormente se demostró que ese logro era falso. Sin embargo, y
aunque la financiación pública para este tipo de experimentos ha desaparecido y la
comunidad científica señala que no existe explicación teórica a la posibilidad de
que la fusión fría se pueda lograr, suelen aparecer de vez en cuando trabajos que
tratan de revivirla. Así, investigadores del Space and Naval Warfare Systems
Command, en San Diego, California, EE.UU., han vuelto a arriesgarse anunciando
y publicando el haber encontrado trazas de fusión fría[8]. Otra aproximación a
través del confinamiento a partir de la implosión de burbujas ha terminado
también en los tribunales, y siendo condenado su impulsor por mala conducta
científica y apartado de sus labores docentes en la Purdue University[7].
8.- Estadística de publicaciones
La figura 12 muestra el número de publicaciones científicas durante el período
2001-2009 para los dos tipos principales de tecnologías utilizadas para la
producción de energía a partir de reacciones de fusión nuclear[9]. Como se puede
apreciar, la tendencia está dominada por la tecnología de confinamiento inercial.
Esto es atribuible al hecho de que el confinamiento inercial está muy relacionado
con el desarrollo de tecnología que se puede utilizar para otros fines,
especialmente la tecnología láser, mientras que el confinamiento magnético es
más específico de los procesos de fusión. También conviene señalar que aunque el
volumen de publicaciones es importante, se percibe que la tendencia ascendente
es bastante leve frente a otras tecnologías analizadas en esta serie de SETs, lo que
se atribuye a que el campo de la fusión nuclear está bastante estabilizado en su
actividad científica y tecnológica.
11
250
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
2009
Número de publicaciones
200
150
100
50
0
Confinamiento
magnético (830)
Confinamiento
inercial (1506)
Figura 12.- Número de publicaciones científicas durante el período 2001-2009 para los dos tipos de tecnologías utilizadas
en procesos de fusión.
9.- Referencias
1.- News. Science (2010).
2.- G. Gould (2009).
3.- News feature. Nature (2009).
4.- News Focus. Science (2010).
5.- News of the week. Science (2010).
6.- LLNL. DOE (2010).
7.- “The beast that will not die”. Science & Technology. The Economist (26th
March 2009).
8.- Pamela A. Mosier-Boss et al. (2009).
9.- ISI Web of Knowledge.
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