Fusion Nuclear

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 319 ENERGÍA NUCLEAR DE FUSIÓN 1 3 13.1. Datos básicos .............................................................................321 13.2. T ecnología de la energía de fusión ................................................. 323 13.3. Perspectivas ...............................................................................325
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    04-Nov-2015
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    ENERGA NUCLEAR DE FUSIN1313.1. Datos bsicos .............................................................................321

    13.2. Tecnologa de la energa de fusin .................................................323

    13.3. Perspectivas ...............................................................................325

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    13. ENERGA NUCLEAR DE FUSIN

    13.1. Datos bsicos

    a) Origen:

    Su origen se encuentra en la fusin de dos ncleos atmicos para dar lugar a la aparicin de otro ncleo ms pesado, pero algo menos que la suma de los dos iniciales.

    Esa diferencia se transforma en energa, segn la conocida expresin E = mc2.

    Para que una reaccin de fusin pueda tener lugar se precisa acercar lo suciente los dos ncleos atmicos a unir, lo que implica vencer las fuerzas de repulsin culombiana, que a estas escalas resultan ser muy grandes.

    La combinacin de elevada presin, eleva densidad y eleva temperatura en una sustancia conduce a que los electrones queden liberados de los ncleos y se alcanza un estado de la materia denominado plasma. En estas condiciones, la cercana de los ncleos, adems de su elevada energa cintica (temperatura muy alta), permite vencer la repulsin culombiana y hacer posible las reacciones de fusin.

    El Sol, (y todas las estrellas) es un enorme reactor de fusin, formado principalmente por H2, que al unirse entre s, forman tomos de helio (He), (un tomo de He tiene una masa algo menor que los dos de H2), liberando una gran cantidad de energa, de acuerdo con la expresin:

    41H + 2e 4He + 21n + 6 fotones +26MeV

    Para que esta reaccin pueda tener lugar se precisa una presin de 108 bares (posible dada la enorme masa del Sol, y las consecuentes fuerzas gravitatorias), una temperatura de 107K (>100 millones de C) y una densidad de 104Kg/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 C y presiones de 100.000 millones de atmsferas)

    Conseguir estas condiciones en la Tierra es un arduo problema, aunque puede suavizarse si en lugar de hidrgeno se emplea hidrgeno pesado (Deuterio) o superpesado (Tritio). Entonces las condiciones de inicio de la reaccin son ms suaves: 100 millones de C y 100 billones de partculas por cm3, simultneamente.

    (La bomba de H2 consigue tales condiciones utilizando una explosin de sin como detonante)

    La reaccin Deuterio-Tritio es la ms fcil de conseguir, puesto que requiere temperaturas relativamente ms bajas (el deuterio 1

    2H es muy abundante en la naturaleza, encontrndose en un concentracin de 30g/m3 en el agua del mar; sin embargo el tritio 1

    3H no se encuentra en estado natural, y se produce en una reaccin nuclear a partir del litio natural, que s es abundante en la naturaleza)

    En la reaccin, los neutrones sionan el litio en helio y tritio, para posteriormente fusionarse al deuterio y el tritio y formar helio, liberando un neutrn y gran cantidad de energa.

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    3

    7Li + 1n = 24He +

    13H + 1n + 2,5MeV

    12H +

    13H =

    24He + 1n + 17MeV

    La reaccin Deuterio-Deuterio es ms difcil de conseguir.

    En esta se produce helio y un neutrn, o tambin, tritio y un protn.

    1

    2H + 1

    2H = 23He + 1n + 3,2MeV

    tambin

    12H +

    12H =

    14He + p + 4MeV

    b) Potencial Energtico:

    Tanto el deuterio como el tritio son sustancias muy abundantes en la Tierra.

    1m3 de agua de mar contiene 1025 tomos de Deuterio, con una masa de 34,4 gr. y una energa de 8x1012 julios. (Equivale a 300Tn de carbn o 1.500 barriles de petrleo)

    Ello signica que 1Km3 de agua de mar equivale a 300.000 millones de Tn de carbn o 1.500 millones de barriles de petrleo. Como los ocanos tienen 1.500 millones de Km3 de agua, el empleo de 1% del deuterio del ocano equivale a 500.000 veces la energa de todos los combustibles fsiles existentes.

    En cuanto al tritio, puede obtenerse a partir de la fusin de los tomos de litio, cuyas reservas tambin pueden considerarse ilimitadas.

    c) Formas de aprovechamiento:

    La nica forma de aprovechamiento es producir calor y evaporar agua, para su posterior conversin en energa mecnica mediante una turbina de vapor y de estas, nalmente, obtener energa elctrica.

    Neutrn

    Neutrn

    Neutrn

    NeutrnEnerga

    Energa

    Litio 7

    Fisindel ncleode litio

    Tritio

    Helio 4

    Deuterio

    Deuterio

    Deuterio

    Reaccin Deuterio-Tritio

    Reaccin Deuterio-Deuterio

    Figura 13.1. Reacciones de fusin

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    La formacin de 1kg de H a partir de H2 libera una energa equivalente a 27.000Tn de carbn.

    d) Reservas:

    Pueden considerarse, a efectos prcticos, ilimitadas.

    13.2. Tecnologa de la energa de fusin

    La tecnologa de fusin se encuentra an en fase preexperimental. El problema radica primero en la produccin del plasma (lo que requiere un considerable aporte energtico) y luego mantenerlo connado el tiempo suciente, y en las condiciones de presin, temperatura y densidad, para que las reacciones de fusin puedan iniciarse y mantenerse.

    Dada la tendencia del plasma a difundirse (separndose los ncleos unos de otros a gran velocidad), es necesario connarlo en un espacio cerrado de donde no pueda escaparse. Adems, debido a las altas temperaturas, el plasma no puede tocar las paredes de la vasija de connamiento, no slo porque provocara la destruccin de las paredes, sino porque mucho antes de que esto ocurriera, la erosin de la misma contaminara el plasma, hacindole literalmente desaparecer.

    Existen en la actualidad dos tecnologas (probadas) para la connacin del plasma: el connamiento magntico y el connamiento inercial.

    En el connamiento magntico, las partculas de plasma (cargadas positivamente) se mantienen en una trayectoria toroidal por medio de un campo magntico del orden de varias Teslas (100.000 veces ms intenso que el campo magntico terrestre)

    Una vez connado el plasma hay que cederle energa para alcanzar la temperatura de ignicin necesaria para desencadenar la reaccin de fusin.

    Figura 13.2. Connamiento magntico

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    Como el plasma magnticamente connado tiene una densidad muy baja (1014 iones/cm3, inferior al estado slido), la temperatura se debe elevar hasta los 46 millones de grados. Para elevar el plasma a estas temperaturas se utilizan tcnicas de radiofrecuencia e inyeccin de neutrones acelerados.

    El calor generado es recogido en un revestimiento de litio, que traspasa su calor a agua, que es vaporizada y llevada a una caldera.

    Vasija del reactor

    Calentador de plasma

    Haz de partculas

    Plasma

    Deflectorde iones

    Generadorde iones

    Refrigerador

    Acelerador

    Figura 13.3. Calentador de plasma

    Revestimiento de litio para absorber neutronesy comunicar calor al circuito de refrigeracin

    Turbina de vapor

    Vapor

    Refrigerante (agua)

    Plasma de deuterio y tritiosufriendo fusiones y ncleos de heliode alta energa que mantienenel calor para la reaccin

    En el revestimiento el litio absorbe neutrones,se fusiona y se trasforma en tritio, que seincorpora al plasma

    Generador deelectricidad

    Figura 13.4. Circuito intercambiador de calor en reactores de fusin por connamiento magnetico

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    En el connamiento inercial, el plasma es de alta densidad, baja temperatura y muy bajo tiempo de connamiento.

    El combustible est connado en un recipiente esfri-co de dimensiones milimtricas, deno-minado blanco de fusin.

    Al iluminar la su-percie exterior del blanco con un lser muy potente se pro-duce un proceso de ablacin de la su-percie del blanco y su comprensin hasta densidades del orden de 100 a 1.000 veces la nor-mal del combusti-ble, lo cual adems induce una fuerte subida de la temperatura (puede alcanzar los 40 millones de grados), dando todo ello como resultado la fusin del material del blanco y la liberacin de la correspondiente energa. La eliminacin el calor tambin se hace con un revestimiento de litio refrigerado por agua.

    13.3. Perspectivas

    La primera planta experimental construida para desencadenar una reaccin de fusin fue el reactor JET (Join European Tourus) cons-truida en 1991 en Inglaterra, y corresponda a un sistema de con-namiento magntico.

    En el JET se produjeron 16MW, du-rante 2 segundos, y se emplearon 100MW para calentar el plasma.

    Pasados los dos segundos el plas-ma se volva inestable y la fusin nuclear se paraba.

    Recogiendo las experiencias del JET se ha desarrollado un nuevo proyecto de reactor experimental de fusin, denominado ITER (In-ternacional Thermonuclear Expe-rimental Reactor), entre los aos 1991 y 1998

    GeneradorTurbinade vapor

    EstacinTransformadora

    Circuito refrigeranteLseres

    Revestimiento de litiopara absorver neutronesy comunicar calor alcircuito de refrigeracin

    Expansin del plasmaformado por los lseres

    Haces de lser

    Compresin dela cpsula por

    implosin

    Capsula deplstico llena de

    deuterio y litio

    Fusin en el ncleode la cpsula debido ala alta presin y temperatura

    Figura 13.5. Esquema bsico de un reactor de fusin por connamiento inercial

    Figura 13.6. Joint European Tourus (JET)

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    Despus de varias vicisitudes polticas (incluyendo la retirada temporal de Estados Unidos del proyecto), en la actualidad se ha decidido su construccin, en suelo francs.

    En las guras 13.7 y 13.8 se observan los diferentes componentes.

    El reactor ITER tiene una altura de 30 metros y una anchura de 40.

    El dimetro del eje del toro es de 12,4 metros, mientras que el dimetro de su seccin (no exactamente circular, si no en forma de D) es de 4m. El volumen total de la cmara del reactor es de 837m3.

    La intensidad del campo magntico es de 5,3 Teslas. La potencia introducida en el sistema durante su funcionamiento normal es de 40MW, para producir una potencia de fusin de 400MW (ganancia 10)

    Aunque inicialmente se pens en un reactor con capacidad para mantener la reaccin de fusin durante 20 minutos, los altos costes y la complejidad de la marcha en continuo han llevado a que el modelo actual mantenga el plasma connado durante 3,7 segundos en plena reaccin de fusin.

    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 formacin del plasma.

    Barrera dehormign

    Divertor

    Plasma

    Bobinassuperconductoras

    Criostato

    Figura 13.7. Esquema bsico del International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER)

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    El sistema para elevar la temperatura de la mezcla a ese nivel absorbe una potencia de 73MW .

    Para el aumento posterior de la temperatura hasta el nivel de ignicin se dispone de un ciclotrn de electrones, otro de iones y un acelerador de neutrones, encontrndose an en discusin al sistema a emplear. La potencia a suministrar por la red durante esa aceleracin alcanza los 400 MW (durante dcimas de segundo)

    En torno al toro se sitan 18 bobinas superconductoras (cada una de 290Tn, 14 m de alto y 9 de ancho) que suministran el campo magntico (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 depsito trmicamente aislado (que encierra la vasija y las bobinas), a

    Figura 13.8. Vista virtual del ITER

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    una temperatura de -276C. Esta planta funciona con Helio, con una potencia de refrigeracin de 660KW.

    Para evitar cualquier impureza de la cmara de fusin (que provoca una disminucin de la reaccin de fusin) hay que provocar el vaco en su interior.

    La pared interior de la cmara de fusin tiene una estructura de mosaico o escamas, encargada de absorber los impactos de las partculas de alta energa que escapan del connamiento magntico. Est formada por 421 mdulos, fcilmente reemplazables cuando sean deteriorados.

    El helio generado durante la fusin nuclear es extrado del toro por medio del divertor, integrado por 54 mdulos con un peso total de 12Tn.

    Finalmente, todo el reactor est rodeado por una estructura de acero y otra de hormign armado que protege a los operarios de las radiaciones.

    La construccin de ITER durar 10 aos, con un coste de 4.750 millones de euros. Se prev una sucesin de experimentos en diferentes condiciones de funcionamiento, que pueden implicar reformas estructurales, con una duracin de 20 aos.

    El coste total del proyecto superar los 10.300 millones de euros, e involucrar a varios miles de ingenieros y fsicos.

    Si se conrmasen las expectativas (viabilidad tcnica de los reactores de fusin con connamiento magntico) se construir un nuevo reactor, denominado DEMO donde ya se le acoplara una turbina comercial para generar energa elctrica (con una potencia del orden de los 4000MW) que descontando la energa necesaria para inducir la fusin, la potencia real, conectada a la red, sera de 1.300MW.

    Este logro podra alcanzarse no antes del ao 2.040.

    En cuanto a las tecnologas basadas en el connamiento inercial, en la actualidad se encuentra a punto de terminarse la construccin de la instalacin 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 fusin.