Capítulo 4 1 Capítulo 4 Fusión nuclear En este caso, la energía que

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Capítulo 4
Fusión nuclear
En este caso, la energía que se libera proviene de la reacción nuclear que se produce
cuando dos núcleos llegan a interaccionar.
Teniendo en cuenta los conceptos preliminares que se manejaron para entender el
proceso de fisión, puede interpretarse el grado de dificultad que representa la
interacción de dos núcleos, es decir, de dos objetos con masas mayores y
equivalentes, y por sobre todo, igual carga electrostática y del mismo signo. Solamente
considerando nuevamente las fuerzas de Coulomb, resulta posible imaginar el grado de
energía que deberían disponer esos núcleos para que se abriera la ventana de
probabilidad de ocurrencia del fenómeno.
También por esa razón, no es difícil entender porqué solamente está definida la
posibilidad de interacción entre núcleos de los elementos más sencillos y livianos.
En este caso, dicha probabilidad en vez de ser cuadrática (un área) es cúbica (un
volumen), por lo que en vez de “ventana” se habla de “túnel”.
Esto se puede imaginar fácilmente suponiendo un globo de juguete al cual se lo toma
entre ambas manos, y luego se lo sujeta entre los dos dedos índice; si se ejerce la
suficiente fuerza (y el globo no está muy inflado y se tienen las uñas cortas), se puede
llegar a unir las puntas de los dedos a través del globo.
En realidad ese “túnel” así formado no es completo porque los dedos no se tocan sino
a través del doble espesor de la pared del globo, pero vale como semejanza física
sencilla.
El primero en estudiar este fenómeno fue un tal Lawson, que estableció que las
variables son presión, temperatura y tiempo.
Se puede analizar en forma muy sencilla los distintos procesos de fusión que se
conocen:
Procesos Naturales
Procesos Artificiales
Sol, estrellas
Novas, etc.
Bomba H
Muónica
Reactor
Presión
gravitacional
colapso grav.
extrem. alta
→0
Temperatura
Tiempo
→∞
→∞
→0
atmosférica
10² °C
→0
→0
Los casos correspondientes a los procesos naturales, que tienden a ser estables en el
tiempo, no pueden ser reproducidos a escala terrestre por la imposibilidad de obtener
en forma constante los valores de presión semejantes a los que reinan en las capas
profundas de las estrellas, resultantes del peso de las capas superiores, como así
tampoco sostener temperaturas equivalentes a centenares de miles de grados
centígrados. Menos aún, en los casos de presiones reinantes en el interior de cuerpos
celestes anormales, como aquellos que sufrieron colapso gravitatorio precisamente por
el excesivo peso de las capas externas por tener masas originalmente mucho mayores
a la de nuestro Sol.
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En cuanto a los procesos artificiales, el más conocido es el resultante de someter a una
muestra de Deuterio, el impacto de presión y temperaturas resultantes de una reacción
de fisión nuclear instantánea; es decir, utilizando como iniciador un estallido nuclear de
fisión, se produce la fusión de una parte de los átomos presentes, formándose Helio y
liberándose una cantidad de energía proporcionalmente mucho mayor, de acuerdo a la
siguiente expresión:
1
D 2 + 1D 2 →
2
He 3 + 0 n1 + E
Donde D es el Deuterio, isótopo pesado natural del Hidrógeno.
La reacción muónica se produce a bajas presiones y temperaturas, con átomos de
deuterio transformados muónicamente.
El muón (ν) es una partícula cósmica, cuya carga eléctrica es exactamente igual a la
del electrón, pero su masa es 200 veces mayor. Por tener similares propiedades físicas
puede tomar el lugar de un electrón en un átomo de Hidrógeno o de Deuterio. En este
caso, el átomo muónico así resultante, por tener el orbital 200 veces más pesado, su
órbita será menor en concordancia.
Al ser 200 veces menor el diámetro de los átomos, en las condiciones normales, los
núcleos se pueden llegar a acercar 400 veces más, por lo que el túnel de
probabilidades de interacción entre ellos se abre, y se produce la fusión.
El ν tiene una vida muy corta, de una fracción muy pequeña e segundo, pese a lo cual
le es posible en teoría, una vez formado el átomo de Helio, saltar a otro átomo de
Hidrógeno, desplazar al electrón y provocar una nueva fusión, hasta cuatro veces antes
de extinguirse como tal.
Pese a ello, a menos que se pudiesen obtener ν fácilmente, la energía producida y
liberada en esas cuatro fusiones resulta muchísimo menor que la que se requiere para
obtener (con los métodos actuales) un ν, por lo que la reacción en este caso resulta
endoenergética.
Entonces, analizando las distintas posibilidades se desprende que desde el punto de
vista tecnológico, las reacciones naturales son imposibles de reproducir y en cuanto a
las artificiales, la primera es esencialmente inmanejable porque parte de una reacción
en cadena divergente e instantánea, y la segunda, es factible pero altamente
endoenergética, por lo que queda como única posibilidad la última, señalada como
Reactor.
En este caso, Lawson anticipó que para una mezcla de Deuterio-Tritio se podría
efectuar la reacción en forma controlada, siempre y cuando se alcance la temperatura
de 120 millones de grados. En realidad, habló de una constante bidimensional de 120
millones de grados por segundo, pero para los fines del presente curso, se puede
considerar directamente como una “temperatura”, aunque semejante valor es en
realidad, una medida energética que carece de sentido térmico.
Dicho sea de paso, esa temperatura es la mayor en la historia del Universo, es decir
que hasta hace muy poco, nunca existió (que se sepa) en el Universo tal como se le
conoce hoy en día.
Pese a ello, se pudo iniciar el proceso hacia el desarrollo del futuro reactor de fusión,
cuyo estado actual es bastante avanzado, aunque todavía no está operativo.
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La reacción que se propone es la siguiente:
I)
1
D 2 + 1T 3
→
2
He 4 + 0 n 1 + E 1
pero el tritio se puede obtener
II)
3
Li 6 + 0 n 1
→
T 3 + 2 He 4 + E 2
1
entonces el sistema actuaría como si en su interior se cumpliera la resultante de las
ecuaciones I y II:
III) 1 D 2 + 3 Li 6 → 2 2 He 4 + E T
Siendo la III una reacción ficticia, resultante de sumar miembro a miembro la I y la II.
entonces, el dispositivo se podría entender así:
2 He
D2 + Li
ET
Reactor
Entendida la lógica de funcionamiento, se puede determinar su implementación.
La reacción de la ecuación I se cumple, de acuerdo a lo previsto, en condiciones de p ≅
0, y t ≅ 120.000.000°C, donde lo primero es sencillo de obtener (alto vacío), pero la
segunda condición es muy complicada parca cumplir.
Asimismo, y supuesto se lograse definir un sistema compuesto por una mezcla de D –
T a baja presión, resultaría imposible confinarla materialmente puesto que no existe en
el Universo conocido tal temperatura ni material que la soporte.
Por lo cual, el confinamiento físico no puede ser material, para lo cual se puede utilizar
el siguiente criterio: nada impide que la mezcla D – T sea ionizada, para lo cual se la
lleva a una temperatura del orden de los 2.000°C (plasma). Una vez ionizada, se
comporta entonces como un material conductor a los efectos de los campos eléctricos
y magnéticos.
De esta forma, se puede considerar un tubo de flujo de plasma en el espacio, el cual se
comportará como un conductor, al que se lo puede mantener en su lugar por medio de
un campo magnético, como por ejemplo, el producido por la bobina BT:
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pero si bien este confinamiento resulta efectivo, el problema se presentará en los
extremos, donde se pretenda “cerrar” el tubo magnético, puesto que en los puntos
donde cualquier material entre en contacto con el plasma a esas temperaturas, dejará
de existir. Entonces, si el problema son los extremos, se anulan: si el tubo de corriente
se hace en forma anular se puede evitar entonces los efectos de los extremos.
‰
Por lo tanto, el confinamiento del plasma debe ser mediante un campo magnético, y
la configuración del sistema será tórica.
Pero esa configuración de sistema solamente se puede lograr mediante la interación de
tres campos magnéticos: la estabilidad de la trayectoria de un elemento de plasma se
logra mediante la composición de dos campos, uno de ellos que produzca una fuerza
en la direción del movimiento, y otro que produzca una componente rotacional, al igual
que el caso de un proyectil, que requiere de la fuerza de empuje, más el par que
provea la rotación para estabilizar su trayectoria. Pero para que el sistema mantenga
su posición en el espacio, se debe contrarrestar la gravedad mediante un campo que
produzca sobre el elemento de plasma una fuerza igual y contraria a su peso.
‰
Por lo tanto, el confinamiento se deberá efectuar por medio de tres campos
magnéticos concurrentes.
El campo rotacional se puede obtener haciendo circular una corriente por el tubo de
plasma. Para ello se recurre a la inducción producida por un flujo magnético externo,
según el siguiente esquema:
NÚCLEO
MAGNÉTICO
BOBINAS
DE
CAMPO
VERTICAL
B
V
i
P
B
B
BOBINAS
DE
CAMPO
TOROIDAL
A
BOBINAS
DEL
PRIMARIO
i
TUBO DE
CORRIENTE
DE PLASMA
Una vez obtenida la configuración del sistema y su equilibrio, para obtener las
condiciones necesarias para la reacción de fusión, se debe elevar la temperatura del
palsma hasta los 120.000.000°C.
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Siendo un plasma de muy baja densidad, su resistenmcia eléctrica es muy alta por lo
cual si se induce una corriente lo suficientemente alta, el calentamiento por efecto Joule
puede ser muy elevado. En efecto, aumentando la corriente del primario, la corriente
del secundario se puede elevar rápidamente.
Cuando la temperatura alcanza unos 200.000°C, las pérdidas por radiación aumentan
proporcionalmente, impidiendo que se eleve más la temperatura, es decir, que por
efecto Joule se llega a un escalón el cual no puede ser franqueado con el simple hecho
de seguir aumentando la intensidad de la corriente en el secundario, pero que es muy
inferior a las condiciones requeridas para la reacción.
La única forma de elevar la temperatura e spor medio de una compresión adiabática.
Para ello, se cambia la configuración de los campos magnéticos responsables del la
configuración tórica del plasma.
Si se acepta que existe una combinación de tres campos que determinan que la
totalidad del plasma que llenaba la totalidad del volumen del recipiente adopte la
configuración cuya sección es A en el esquema siguiente, entonces ello implica que
deberá existir otra terna de campos que lleven al plasma a una configuracvión ciya
sección sea B.
He
Li
BLINDAJE
BIOLÓGIC
∼
REFLECTO
D
T
Q
D/T
A
B
D/T
He
CÁMARA
Q
RECIPIENT
EJE
TOROIDAL
Pero pasar de la configuración inicial A a la final B implica que el toro disminuyó no
solamente su sección, sino que también su longitud, por lo que su volúmen habrá
disminuído proporcionalmente. Como dicho cambio de campos es en realidad una
permutación de corriente entre dos juegos de bobinados distintos, solo tarda lo que
tarda dicha conmutación eléctrica, por lo que la disminución de volúmen (compresión)
puede considerarse a los fines prácticos, como adiabática.
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‰
Por lo tanto, el calentamiento se deberá efectuar en dos pasos; un a primer etapa
por efecto Joule, y otro por compresión adiabática.
Una vez que el sistema llega a las condiciones de la reacción de fusión, ésta se
produce, liberando una gran cantidad de energía.
Pero producida la primer “tanda” de reacciones, al disminuír el número de átomos de
Deuterio y de Tritio, las probabilidades de nuevas fusiones se hacen nuevamente
nulas, y si se quisiera obtener una nueva serie de reacciones de fusión en ese sistema,
debería aumentarse la temperatura en casi la misma proporción que antes de la
reacción, careciendo entonces de sentido real.
‰
Por lo tanto, producida la fusión, ésta no puede sostenerse en el tiempo, por lo que
se auto extingue sin requerir control externo, es decir, no puede haber “reacción en
cadena” en el campo real.
La energía así gernerada se transmite por radiación hacia las paredes del recipiente, el
cual por lo tanto, debe ser refrigerado para que su temperatura no supere el límite de
su estabilidad física.
Aquí se puede entender porqué le necesidad de que el sistema se constituya con un
plasma de muy baja densidad: de esa forma, el número de fusiones por unidad de
volúmen es reducido y por lo tanto, la cantidad de energía liberada es compatible con
los sistemas de refrigeración tecnológicamente factibles.
En este caso, la refrigeración se efectúa por medio de la circulación de un fluido por un
encamisado del recipiente, según el esquema. El fluido es en este caso, una sal en
dusión, hexafluoruro de Litio y Berilio.
Como el recipiente es transparente a los neutrones que se producen en la fusión
(reacción I), esos neutrones sostienen la reacción II en el sistema fluido. Como ambos
productos de la reacción son gaseosos y diferentes, no es difícil en principio su
separación, como asimismo resulta sencillo proveer el Litio de reemplazo para
manteenr la composición de la sal constante.
La instalación se completa con los susbsistemas corespondientes, tal como se muestra
en el esquema.
El flujo neutrónico saliente es refeljado en parte por el elemento reflector, pero una
pequeña parte escapa del recipiente. Dicho flujo será entonces el responsable de la
radioactividad permanente y remanente del recipiente y estructuras anexas, como
bobinas núcleos magnéticos y conductos.
‰
Por lo tanto, si bien ni los reactantes ni los productos de ambas reacciones (I y II)
son tóxicos químicos ni radiológicos, los materiales del reactor terminarán su vida
útil radioactivos.
Entonces, el proceso completo será:
1. Se practica alto vacío en el recipiente tórico.
2. Se inyecta una pequeña dósis de plasma de Deuterio-Tritio.
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3. Se conectan las bobinas de los tres campos y se dá corriente a los bobinados
primarios.
4. Se aumenta la corriente de los primarios hasta alcanzar por efecto Joule los
200.000°C.
5. Se conmuta la energía al segundo juego de bobinas para producir la compresión
adiabática, produciéndose la reacción de fusión y liberándose energía
instantáneamente (destello).
6. Una vez producido el destello no son necesarios ni los campos ni la corriente
secundaria, por lo que se corta la energía de todos los bobinados. Al anularse los
campos que estabilizaban el tubo de plasma, éste pasa a ocupar la totalidad del
volúmen del recipiente (expansión adiabática), bajando su temperatura.
7. Se extrae el plasma restante, compuesto de He recién formado y Deuterio y Tritio
que no llegaron a fusionar.
8. Se procede a separar el He por un lado, y la mezcla Deuterio-Tritio se conduce al
subsistema de elaboración de la carga.
‰
‰
Por lo tanto, el proceso de producción de energía no será contínuo sino discreto,
dependiendo la magnitud del período de las posibilidades de los distintos
subsistemas.
Desde el lado térmico, si el período T es suficientemente corto, se podrá obtener un
flujo contínuo de energía gracias a la gran inercia térmica de los sistemas de
transferencia de calor.
T
E
energía
generada
t
~0
El sostenimiento de los campos necesarios para la estabilización y confinamiento del
plasma, como asimismo, para la generación del flujo magnético para la corriente tórica
requieren una potencia instalada no menor de 50 MW , por lo cual este tipo de reactor
se puede considerar como un amplificador de energía.
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