Reactores de fusión: emulando la energía del Sol Understand article

Traducido por José Luis García Herrero. Energía renovable, limpia e ilimitada: ¿cómo conseguirlo? Christine Rüth, de EFDA, nos presenta el tokamak: el dispositivo de fusión más avanzado

Imagen cortesía de Rita Thielen
/ Pixelio

El Sol genera inmensas cantidades de energía por medio de la fusión de núcleos atómicos en partículas más pesadas. Si los científicos pudieran hacer funcionar este proceso en la Tierra de forma sostenida, dispondríamos de una fuente de energía casi inagotable y respetuosa con el medio ambiente. Una planta de fusión de 1 gigawatio consumiría tan sólo 250 kilogramos de combustible al año y generaría electricidad sin emitir dióxido de carbono. Una planta de carbón con la misma capacidad quema 2,7 megatoneladas de carbón al año.

Además, al contrario que la fisión, la fusión no es una reacción en cadena, por lo que es inherente y tranquilizadoramente segura: para detener la reacción basta con parar el suministro de combustible. Por otra parte, aunque algunos componentes de un reactor de fusión se tornan radioactivos durante su funcionamiento, se trata de radioactividad con un período de vida muy limitado: se pueden desechar los materiales al cabo de 100 años, en contraste con los muchos miles de años en el caso de un reactor de fisión (para más detalles, consultar Warrick, 2006).

Figura 1: Una planta de
fusión fusionará núcleos de
tritio (dos neutrones, azul; un
protón, rojo) y deuterio (un
neutrón, un protón),
generando un núcleo de
helio-4 y un neutrón de alta
energía
.
Imagen cortesía de EFDA-JET

Los científicos del mayor experimento de fusión europeo, el Joint European Torus (JET) de Culham (Reino Unido), han logrado progresos significativos hacia la energía de fusión durante más de 30 años. De todos modos, el experimento JET aún consume más energía de la que genera, lo cual no es adecuado para una planta de energía. El siguiente paso será el experimento internacional ITER, cuyo inicio está previsto en 2019. Se espera que ITER sea el primero en lograr un balance energético positivo: 500 megawatios a partir de un consumo de 50 megawatios (Warrick, 2006). De ser así, quedaría probada la viabilidad de las plantas de fusión.

¿Como funcionan la fusión funciona?

Para lograr la fusión en la Tierra, los científicos eligieron la reacción solar más eficiente: la fusión de dos isótopos de hidrógeno: deuterio y tritio. Esta reacción da lugar a un núcleo de helio-4 y a un neutrón, que llevan asociado el 80% de la energía de fusión (Figura 1). Estos neutrones rápidos se capturan en el muro de acero del reactor de fusión, transfiriendo el calor a los líquidos refrigerantes situados en el interior del muro, que a su vez permiten que una turbina genere electricidad.

Figura 2: Diagrama de la
sección del tokamak JET en el
que se muestra la cámara de
acero rodeado de ocho
enormes bobinas de cobre
que generan los campos
magnéticos. Obsérvese la
persona situada a la
izquierda como indicación
del tamaño
.
Imagen cortesía de EFDA

El dispositivo de fusión

En la actualidad, el dispositivo de fusión más avanzado es el tokamak. En su corazón se encuentra el reactor, una cámara de acero con forma de anillo que presenta numerosas aberturas para albergar los sistemas de calor, medidas y otros, y un muro interior recubierto con piezas cerámicas extraíbles resistentes al calor (Figura 2). Para iniciar el proceso de fusión, la cámara se somete a alto vacío (0.00000001 milibar aproximadamente en el caso de JET), y se inyectan unos gramos de gas de deuterio y tritio. Este gas ionizado se denomina plasma, o el cuarto estado de la materia; es la base para la producción de energía de fusión.

Condiciones para la fusión

El Sol, captado por el Extreme
Ultraviolet Imaging
Telescope, a bordo del Solar
and Heliospheric Observatory
(SOHO), situado a 1,5
millones de kilómetros de la
Tierra
.
Imagen cortesía de ESA, NASA,
SOHO / EIT team

Conseguir la fusión de núcleos no es tarea fácil: al estar cargados positivamente se repelen, así que es necesario hacerlos colisionar a velocidades extremadamente altas para que se puedan fundirw1. Como la velocidad de las partículas está asociada a la temperatura, el plasma debe alcanzar millones de grados Celsius antes de que comience el proceso de fusión. Aunque el plasma pierde calor en sus bordes, se puede mantener caliente gracias a la energía asociada a los núcleos de helio producidos en la reacción, y este proceso auto-sostenido de fusión se puede mantener mientras se mantenga el aporte de nuevo combustible. Sin embargo, el reto consiste en alcanzar dicho estado de activación del plasma, lo cual requiere que éste se encuentre lo suficientemente caliente y denso (para asegurar una cadencia adecuada de la reacción de fusión) y que mantenga su energía durante suficiente tiempo; esta última condición se denomina “tiempo de confinamiento”.

El producto de estos tres parámetros, temperatura, densidad y tiempo de confinamiento, se denomina triple producto, y es un parámetro fundamental en la ciencia de fusión. Normalmente, para que se inicie la reacción de fusión, el plasma debe alcanzar 100-200 millones de grados ºC, una densidad de alrededor de 1020 partículas por metro cúbico (aproximadamente 1 mg/m3, una millonésima parte de la densidad del aire) y se debe mantener confinado este estado durante 3-6 segundosw2. Una temperatura tan alta puede parecer muy problemática, pero calentar no es el problema, sino el tiempo de confinamiento (y la densidad), ya que el plasma pierde energía muy rápidamente, al igual que las partículas, que también tienen energía asociada.

¿Cómo funciona un tokamak?

1) Mantener el plasma confinado: campos magnéticos

Para mantener las altas temperaturas y proteger las paredes del reactor de la corrosión, es necesario separar el plasma de las paredes del reactor. Para tal fin, los especialistas en fusión hacen uso de la fuerza de Lorentz que experimenta una partícula cargada en presencia de un campo magnético. Dicha fuerza es perpendicular a la trayectoria de desplazamiento de la partícula y al campo magnético y, por lo tanto, provoca que la partícula adquiera un movimiento de rotación alrededor del campo magnético. En consecuencia, la partícula describe una espiral alrededor de la línea de campo, con los electrones y los núcleos desplazándose en direcciones opuestas (Figura 3).

Figura 3: Un campo magnético B ejerce una fuerza sobre partículas cargadas en movimiento. La fuerza electromagnética sobre una partícula con carga q y velocidad v se denomina fuerza de Lorentz y viene dada por la expresión
F = qE + qv × B
El primer término (qE) se debe al campo eléctrico. El segundo término (qv x B) es la fuerza magnética y su dirección es perpendicular a la velocidad v y al campo magnético B. La fuerza magnética es proporcional a q y al valor de v × B. En términos del ángulo ϕ formado entre v y B, el valor de la fuerza es qvB sen ϕ.
(Fuente: Encyclopædia Britannica Online (magnetic force: moving charges). Acceso 23 Enero 2012. www.britannica.com/EBchecked/media/1319/
Magnetic-force-on-moving-charges
)

A: Las partículas cargadas se ven afectadas por el campo magnético y experimentan la fuerza de Lorentz, desplazándose en espiral alrededor de las líneas de campo. Las partículas con cargas opuestas describen espirales en direcciones opuestas.

B: Movimiento de las partículas sin campo magnético.
Imagen cortesía de EFDA

Figura 4: Varios conjuntos de
bobinas, junto a una
corriente de plasma, generan
el campo magnético
helicoidal que provoca el
confinamiento del plasma.
Las bobinas interiores de
campo poloidal situadas en el
centro del solenoide inducen
la corriente de plasma. Haga
clic sobre la imagen para
ampliarla
.
Imagen cortesía de EFDA

El diseño de confinamiento más avanzado es el tokamak, una cámara de vacío con forma de anillo rodeada de bobinas. Una corriente eléctrica que fluye a través de un conjunto de bobinas (las bobinas del campo toroidal, Figura 4) genera un campo magnético en forma de anillo. La fuerza de este campo toroidal (con forma de donut) no es uniforme a través del anillo, ya que las bobinas están más cerca entre sí en la parte interior del toro (donut). Por lo tanto, las partículas experimentan una fuerza de Lorentz más intensa en la parte más interior de la línea de campo a través de la cual rotan. En consecuencia, tienden a desviarse gradualmente de su línea de campo hacia el borde del plasma.

Para reducir este efecto se genera un segundo campo magnético denominado poloidal. El campo magnético helicoidal resultante describe espirales alrededor del plasma y lo confina de manera muy efectiva. La forma más sencilla de generar un campo poloidal es por medio de una corriente de plasma.

A su vez, la corriente de plasma se genera cuando las partículas se desplazan por el anillo alrededor de las líneas de campo toroidales, con los electrones y los iones desplazándose en direcciones opuestas. Al igual que en un cable, esta corriente genera un campo magnético con forma de anillo alrededor de sí misma. Se induce por medio de un transformador en el que el propio plasma actúa como una bobina secundaria alrededor una enorme bobina primaria (las bobinas interiores de campo poloidal). Como el plasma tiende a desviarse verticalmente, se utiliza un campo magnético adicional creado por las bobinas exteriores de campo poloidal para controlar su posición y su forma.

2) Calentamiento

Para calentar el plasma hasta 100-200·106 ºC, los científicos de fusión utilizan tres sistemas complementarios (Figura 5).

Figura 5: Para conseguir que
el plasma alcance
temperaturas de
100-200·106 °C se utilizan
tres sistemas de
calentamiento
complementarios:
calentamiento óhmico,
inyección de haces neutros y
calentamiento por radio
frecuencia. Haga clic sobre la
imagen para ampliarla
.
Imagen cortesía de EFDA
  1. La corriente de plasma genera calor por sí misma (calentamiento óhmico), del mismo modo que un cable se caliente cuando por él circula la corriente eléctrica.
     
  2. La inyección en el plasma de haces de partículas de alta energía, normalmente átomos de hidrógeno, hacen que se produzca transferencia de energía hacia las partículas del plasma por medio de colisiones (como cuando una bola de billar rápida golpea a otra más lenta y ésta aumenta su velocidad). El haz de partículas se genera por medio de la aceleración de iones con alta tensión. Como las partículas cargadas no pueden penetrar el campo magnético que hay alrededor del plasma, se convierten en átomos neutros antes de ser inyectados.

En la práctica, no se trata de una tarea sencilla. Para que las partículas adquieran la energía necesaria, el acelerador de partículas hace uso de la fuerza de atracción que la alta tensión ejerce sobre una partícula cargada (ión). Sin embargo, sólo las partículas sin carga (neutras) pueden penetrar el campo magnético que rodea al plasma, así que los átomos de hidrógeno (sin carga) primero deben desprenderse de sus electrones, luego se aceleran y por último se vuelven a hacer neutros antes de ser inyectadosw3.

  1. Las paredes de la cámara disponen de antenas que permiten propagar en el plasma ondas electromagnéticas con determinadas frecuencias, provocando que las partículas del plasma entren en resonancia y absorban la energía de las ondas.

¿Por qué se está tardando tanto en lograr la energía de fusión?

¿Estarán las futuras plantas
energéticas sostenidas por la
fusión?

Imagen cortesía de Khánh
Hmoong; fuente de la imagen:
Flickr

En la década de los 70, los científicos pensaban que una vez que se consiguiera calentar el plasma suficientemente y crear campos magnéticos con la intensidad necesaria, habrían logrado controlar la energía de fusión. Pero el plasma resultó ser altamente inestable, además de perder mucha más energía de lo esperado. Desde entonces, los científicos han continuado sus investigaciones para estudiar la física que se esconde tras estos fenómenos, y han desarrollado métodos para controlar estas inestabilidades. Si, como se espera, ITER genera finalmente un balance positivo de energía de fusión, se podrá decir que estos problemas han sido solucionados y la primera planta de energía de fusión podría comenzar a operar antes de 2050.

 

Energía de fusión

La fusión de un núcleo de tritio (T) y otro de deuterio (D) libera una energía de 17,6 MeV, y el 80% de ella (14,1 Mev) se asocia al neutrón y puede utilizarse para generar electricidad. Fusionar 1kg D con 1,5 kg T (la masa de T es 1,5 mayor que la de D) libera 14.1/(2*1.67262*10-27) = 4.2*1027 MeV, teniendo en cuenta que un núcleo D se compone de un protón y un neutrón, ambos con masa 1.67262·10-27 kg.

Un kilogramo de D contiene 3·1026 núcleos (un núcleo D contiene un neutrón y un protón, ambos con masa 1.6·10-27 kg). Por tanto, la fusión de 1 kg de D (con 1.5 kg de T, ya que la masa de T es 1,5 mayor que la de D) da como resultado 3·1026 reacciones de fusión, liberando una energía de 14.1 x 3·1026 = 4.2 x 1027 MeV.

Una planta de fusión con una eficiencia del 40% podría generar 70 GWh de electricidad (1 eV = 1.6*10-19 J or Ws) a partir de 1 kg D; suficiente como para abastecer 20 hogares en un país industrial.

El deuterio se puede extraer del agua del mar, que contiene 35 gramos por metro cúbico. El tritio no se encuentra en grandes cantidades en la naturaleza, pero se puede obtener a partir del metal ligero litio, con la ayuda de algunos neutrones producidos en la reacción de fusión:

6Li + n => 4He + 3H + energy

o en una reacción similar con 7Li. La mayoría de los minerales de la Tierra contienen litio, y con 2,3 kg e obtiene 1 kg de tritio. Una planta de energía de fusión que produzca 1 GW de electricidad (capacidad similar a la de las plantas de fisión) usará anualmente 150 kg T y 100 kg D.

Más sobre EFDA-JET

Como empresa conjunta, JET es utilizado colectivamente por más de 40 laboratorios de fusión europeos. El Acuerdo Europeo para el Desarrollo de la Fusión (EFDA) proporciona la plataforma para el aprovechamiento de JET, con más de 350 científicos e ingenieros de toda Europa contribuyendo en la actualidad al programa JET.

EFDA-JET es miembro de EIROforumw4, editor de Science in School.

Agradecimientos

Es de justicia agradecer a Örs Benedekfi, exdirector de comunicación de EFDA, su contribución a este artículo.

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References

Web References

  • w1 – Zoltán Köllö obtuvo un premio en el festival internacional Science on Stage 2007 por su sencilla demostración de la fusión nuclear y la barrera de Coulomb, en la que utilizó un par de gotas de agua y la base de una lata de refresco. Si quieres saber cómo hacerlo, consulta: www.esa.int/SPECIALS/Science_on_Stage/SEMRE58OY2F_0.html
    • Si quieres saber más sobre Science on Stage, la red europea de profesores de ciencias, visita: www.scienceonstage.eu
  • w2 – Para saber más sobre fusión, reactores de fusión y EFDA-JET, visita: www.efda.org
  • w3 – Para conocer con más detalle cómo se generan los haces de partículas de alta energía, visita el sitio web de EFDA (www.efda.org) o accede por medio del enlace directo: http://tinyurl.com/neutralbeam
  • w4 – Para saber más sobre EIROforum, visita: www.eiroforum.org

Resources

  • Para saber más sobre la fusión en el Sol, visita:
  • Para acceder a un resumen completo sobre la investigación en fusión en Europa, con información sobre física de plasmas y tipos de reactores, y maravillosas animaciones y videos, visita: www.efda.org
  • Para conocer cómo los científicos crearon plasma de forma accidental en su microondas, y cómo lo usaron para su investigación, consulta:

Institution

EUROfusion

Author(s)

Dr Christine Rüth es la editora del boletín de EFDA: Fusion in Europe. Completó su doctorado en Física en el campo de la investigación climática y encuentra muy interesante estar involucrada en la búsqueda de soluciones energéticas respetuosas con el medio ambiente. Tras trabajar como físico en el sector industrial, obtuvo un master en comunicación científica y desde entonces ha trabajado como divulgadora de ciencia y tecnología.


Review

Este artículo describe la investigación sobre la producción de energía eléctrica a partir de la fusión de núcleos de átomos ligeros, tal y como ocurre en el Sol. Proporciona a los profesores de fisica y ciencias un resumen detallado de cómo funciona la fusión, y qué retos supone la producción de energía en una planta de fusión.

Las cuestiones del cambio climático y el efecto invernadero suponen que muchos países deben resolver el problema de la producción de energía renovable de manera sostenible. Por lo tanto, este artículo podría ser útil no sólo en la clase de física, sino también en biología, geografía y lengua.

Este artículo podría estimular debates sobre un amplio rango de cuestiones, entre las que se incluyen:

  • ¿Cómo funciona la fusión?
  • ¿Por qué, tras 30 años de investigaciones, aún no producimos energía en plantas de fusión? ¿Cuáles son los retos que se plantean?
  • ¿Cuáles podrían ser las ventajas de la utilización de reactores de fusión?
  • ¿La producción de energía de fusión es sostenible?

Gerd Vogt, Higher Secondary School for Environment and Economics, Yspertal, Austria




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CC-BY-NC-ND