Fusión nuclear

La fusión nuclear es una reacción nuclear en la que dos núcleos de  átomos  ligeros ,en lo general el hidrógeno y sus isotopos (deuterio y tritio), se unen para formar otros núcleos se unen para formar otro núcleo  mas pesado liberando una gran cantidad de energía 

un ejemplo claro lo vemos a diario en la energía solar que tiene su origen en la fusión de núcleos hidrógenos, generándose hielo y liberándose una gran cantidad de energía que llega a la tierra forma de radiación electromagnética.

para efectuar las reacciones de fusión nuclear , se deben cumplir los siguientes requisitos temperatura muy elevada para separar los electrones del núcleo y que este se aproxime a otro  venciendo las fuerzas de repulsión electroestaticas .La masa compuesto por electrones libres y átomos altamente ionizados se denomina plasma 

confinamiento necesario para mantener el plasma a elevada temperatura durante un tiempo mínimo

 densidad del plasma suficiente para que los núcleos estén cerca unos de otros y puedan llegar a reacciones de fusión 

los confinamientos convencionales,las paredes de una vasija ,no son factibles debido a las altas temperaturas del plasma . este motivo, se encuentran en desarrollo dos métodos de confinamiento

fusión nuclear por confinamiento inercial (FCI)  

consiste en crear un método tan denso que las partículas no tengan casi ninguna posibilidad de escapar sin chocar entre si .Una pequeña esfera compuesta por deuterio y tritio es impactada por un haz de láser, provocándose una implosion. Así se hace sientos de veces mas densa y explosiona bajo los efectos de la reacción de fusión nuclear 

fucion por calentamiento magnético (FCM)

Las partículas electricamente cargadas del plasma son atrapadas en un espacio reducido por la acción de un campo magnético .El dispositivo mas desarrollado tiene forma toroidal y se denomina TOKAMAK.

aspectos generales de la fusión nuclear 

La fusión nuclear tiene lugar cuando dos núcleos de átomos ligeros se unen para formar otro núcleo mas pesado , liberando una gran cantidad de energía

Los elementos atómicos empleados normalmente en las reacciones fusión nuclear son el hidrógeno y sus isotopos :el Deuterio (D) y el tritio (T) .Las reacciones de fusión mas importantes:

D+T--->4He+n+17,6 MeV

D+D-->3He+n+3.2 MeV

D+D-->T+P+4.3 MeV

n=neutrones
p=protones

para que tengan lugar estas reacciones debe suministrarse a los núcleos la energía cinética necesaria para que se aproximen los núcleos reaccionantes , venciendo haci venciendo las fuerzas de repulsión electroestaticas. para ello se necesita calentar el gas hasta temperaturas muy elevadas (107o108ºc),como los que se supone que tienen en el centro las estrellas.el gas sobre calentado a tan elevadas temperaturas ,de modo que los átomos estarán altamente ionizados recibe el nombre de plasma .El requisito de cualquier reactor de fusión nuclear es confinar dicho plasma con la temperatura y densidad de lo bastante elevados y durante el tiempo justo, a fin de permitir que ocurran suficientes reacciones de fusión nuclear , evitando que escapen las partículas para obtener,una ganancia neta de energía.Esta ganancia energética depende de que la energía necesaria para calentar y confinar el plasma, sea menor que la energía liberada por las reacciones de fusión nuclear.En un principio , por cada miligramo de duterino-tritio se pueden obtener 335 MJ. 

combustible utilizado para las reacciones de fusión nuclear    

esta bien sabido que las 3/4 partes del planeta están cubiertas por agua ,cuyas moléculas están formadas por dos átomos de hidrógenos y uno de oxigeno 

El deuterio es un isotopo estable de hidrógeno formado por un proton y un neutron su abundancia en el agua es de un átomo por cada átomos de hidrógeno, lo que significa que con el contenido de deuterio existente en el mar (34gramos por metros cúbicos)es posible obtener una energía inagotable mediante la fusión nuclear  y cuyo contenido energético es tal que la cantidad de deuterio existente en cada litro de agua de mar , la energía obtenida obtenida para la fusión nuclear de estos átomos de deuterio equivale a 250 litros de petroleo 

el otro elemento empleado en la fusión nuclear es el tritio , es el isotopo inestable o radiactivo del átomo de hidrógeno Esta compuesto por un proton y dos neutrones que se desintegran por emisión beta con la relativa rapidez , y aun que es escaso en la naturaleza , puede ser generado por reacciones de captura neutronica con los isotopos de litio , material abundante en la corteza terrestre y en agua del mar      

confinamiento 

los confinamientos convencionales no son posibles debido a las altas temperaturas del plasma que deben soportar . por este motivo, se han desarrollado dos importante métodos de confinamiento :

Fucion nuclear por confinamiento inercial (FCI): tecnología para producir la fusión termo nuclear 

aprovechando la inercia mecánica de pequeñas esferas solidad y densas de deuterio-tritio  para calentarla hasta la temperatura de fusión mediante la inyección de breves y pequeños impulsos de energía (radiación láser o partículas muy energéticas procedentes de un acelerador). El bombardeo de estas esferas provoca su calentamiento y la posterior compresión de su superficie a una altísima temperatura, formando un plasma caliente. El plasma se escapará libremente hacia fuera, pero por conservación del impulso, parte de las partículas tendrá que ir hacia dentro. Esa implosión será capaz de comprimir la mezcla de gas Deuterio-Tritio que puede colocarse dentro de la esfera, y juntamente con el calor producido provocar una fusión termonuclear. En este proceso, las fases de calentamiento y confinamiento se efectúan al mismo tiempo, usando el mismo dispositivo suministrador de la energía.

Fusión nuclear por confinamiento magnético (FCM): Tecnología para provocar la fusión manteniendo el plasma de Deuterio-Tritio confinado mediante un campo magnético de la configuración e intensidad adecuadas. Con el uso de los campos electromagnéticos se consigue que las partículas del plasma se aceleren, evitando que sigan caminos aleatorios y puedan reaccionar con más facilidad. Las fases de calentamiento y confinamiento se hacen por separado. El confinamiento magnético más simple es un campo magnético uniforme, donde las partículas realizarán trayectorias espirales alrededor de la dirección del campo Esto sería suficiente para confinar las partículas en sólo dos direcciones. Para evitar la pérdida de las partículas a lo largo del eje del campo hay dos posibles opciones: Se puede construir un toro –configuración cerrada– o se puede crear en los extremos una zona de alta densidad de líneas de campo magnético que reflejaría las partículas dentro de la región donde el campo es inferior. Serían los espejos magnéticos.

El inmenso potencial energético de la fusión nuclear incentiva el continuo desarrollo tecnológico en ambos tipos de confinamiento. Con el Deuterio existente en todo el Planeta se podrían obtener 1021 Kw/año, lo cual podría dar energía durante aproximadamente 1011 años, considerando la poca cantidad que se necesita por reacción de fusión.

Evaluación histórica y proyectos futuros sobre la fusión nuclear

Los orígenes de la fusión nuclear se localizan hacia 1929 cuando Atkinson y Houtemans plantearon la posibilidad de obtener energía de las reacciones de fusión. Sin embargo, los conceptos más importantes de fusión nuclear y su aplicación real, se desarrollaron a partir de 1942 con los trabajos de H. Bethe, E. Fermi, R. Oppenheimer y E. Teller, entre otros. A través del proyecto Sherwood se llevaron a cabo los primeros avances tecnológicos, que permitieron desarrollar el concepto de confinamiento magnético, obteniéndose los primeros diseños: z-pinch, stellarator y espejos magnéticos.

En 1961, J. Nuckolls (EEUU) y N. Basov (URSS) desarrollaron una técnica mediante la cual se podrían obtener reacciones de fusión nuclear mediante altas compresiones provocadas por la cesión de energía. Se desarrollaron así programas secretos en EEUU y Rusia. Posteriormente, Francia se une a este desarrollo, también secreto. Otros países como Alemania, Japón, Italia y EEUU (Rochester) desarrollaron programas abiertos.

En 1965, Artsimovich presentó los resultados de sus investigaciones, en la “2ª Conferencia de Plasma y Fusión Controlada”, sobre el concepto TOKAMAK (Toroidal KAmera MAgnetiK).

En el concepto TOKAMAK, el campo magnético necesario para confinar el plasma es el resultado de la combinación de un campo toroidal, de un campo poloidal, ambos creados por bobinas toroidales, y de un campo vertical (creado por un transformador). El plasma actúa como secundario de un transformador por donde se induce corriente que lo calienta. Por el primario del transformador circula una intensidad de corriente variable.

En 1968, el Premio Nobel N. Basov, informó de la obtención de temperaturas de ignición y de la producción de neutrones en las reacciones de fusión nuclear empleando láseres. A partir de entonces, se pudo disponer de una gran cantidad de aparatos en construcción y operación bajo el concepto TOKAMAK como los siguientes: TFR (Francia), T-4 y T-11 (URSS), ALCATOR y ORMAK (EEUU). Otros como el T-10 (URSS), PLT (EEUU), DITE (GB), ASEDX (RFA) y FRASCATI (EURATOM-Italia) comenzaron a construirse.

En la década de los 70 comenzó a producirse la primera serie de publicaciones sobre FCI (Fusión nuclear por Confinamiento Inercial). En EEUU, los principales investigadores fueron Brueckner, Nuckolls, Kidder y Clark. En Rusia, Basov y su equipo consiguieron el experimento más avanzado, alcanzándose cerca de 3 millones de neutrones en la implosión de esferas de CD2.Basados en este concepto existen y han existido multitud de instalaciones con láser que han permitido avanzadas investigaciones sobre la fusión nuclear. De ellas se pueden destacar: NOVA (40 kJ, EUUU), OMEGA (30 kJ), GEKKO-XII (10 kJ, Japón), PHEBUS (3 kJ, Francia), VOLCAN (UK), ISKRA-5 (Rusia).A partir de estas instalaciones de láser se han desarrollado dos grandes proyectos para demostrar altas ganancias: National Ignition Facility (NIF) en EEUU y Laser Megajoule (LMJ) en Francia.

Pero el láser no es el único dispositivo capaz de producir implosiones, también se observa que electrones y haces de iones ligeros y pesados son serios candidatos a la fusión nuclear por confinamiento inercial. Nacen así los siguientes proyectos con iones ligeros: ANGARA y PROTO (Rusia), PBFA-I y PBFA-II (EEUU)

En relación con los iones pesados, al no existir experimentos no se han podido alcanzar resultados exactos, aunque se han realizado ciertas predicciones mediante simulaciones teóricas como las realizadas en el Proyecto HIDIF (Heavy Ion Design of Ignition Facility) patrocinado por varios laboratorios e institutos europeos y por el Lawrence Berkeley Laboratory americano.

En la década de los 90, las instalaciones de tipo TOKAMAK: JET (EURATOM), TFTR (EEUU) y JT-60 (Japón), permitieron obtener cierta potencia. El primero fue el JET, que con una mezcla de D (90%) y T (10%) consiguió en 1991, una potencia de 1,7 MW. Posteriormente, en 1993, el TFTR con una mezcla de DT al 50% llegó hasta los 6 MW, alcanzándose temperaturas de 30 keV. En el calentamiento se gastaron 29 MW. En la actualidad, el TFTR está clausurado. Hasta la fecha, se han llegado a producir hasta 12 MW de potencia en reacciones de fusión nuclear controladas durante más de un segundo (JET, 1997) y existe la confianza de que con los avances tecnológicos actuales sea posible llegar al rango comercial de cientos de MW de forma mantenida.

La investigación experimental en FCM (Fusión nuclear por Confinamiento Magnético) en España ha estado concentrada en el CIEMAT (Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas), remontándose a 1983, año en el que se pone en funcionamiento la primera máquina de fusión nuclear, el Tokamak TJ-I.

Desde este instante, la investigación ha progresado de manera constante, y así, en 1994 se puso en marcha el primer dispositivo de fusión nuclear construido totalmente en España: el Stellerator TJ-I upgrade, que fue cedido en 1999 a la Universidad de Kiel al entrar en operación el TJ-II.

El TJ-II supuso un gran salto científico con respecto a los experimentos anteriores considerándose uno de los tres stellerators más avanzados del mundo junto con el alemán Wendelstein 7-AS del Instituto Max Planck en Munich y el japonés LHD de la Universidad de Nagoya.

El proyecto de fusión nuclear por confinamiento magnético de: ITER.

El proyecto de fusión nuclear por confinamiento magnético de: ITER.: (International Thermonuclear Experimental Reactor), prototipo basado en el concepto Tokamak, y en el que se espera alcanzar la ignición. Ante los buenos resultados obtenidos en el JET, en 1990 se decidió continuar el programa de fusión con una instalación mayor en la que además del reactor, pudieran probarse sus sistemas auxiliares sin generar aún electricidad. En este proyecto participan la Unión Europea, Canadá, EEUU, Japón y Rusia.

El objetivo es determinar la viabilidad técnica y económica de la fusión nuclear por confinamiento magnético para la generación de energía eléctrica, como fase previa a la construcción de una instalación de demostración comercial.

ITER es un proyecto tecnológico cuya construcción se estima necesitará 10 años y al menos 20 de investigación. Entre las tecnologías empleadas para su construcción y posterior funcionamiento y mantenimiento destacan la robótica, superconductividad, microondas, aceleradores y los sistemas de control.

En la máquina ITER no se producirá energía eléctrica, se probaran las soluciones a los problemas que necesitan ser resueltos para hacer viables los futuros reactores de fusión nuclear. Este ambicioso proyecto de investigación dará sus primeros resultados a partir de 2050.

Las inversiones realizadas para su construcción se estiman en cerca de 5.000 millones de euros. Los costes de funcionamiento alcanzarán los 5.300 millones de euros y los de desmantelamiento ascienden a 430 millones de euros. El país donde se instale deberá correr con los costes de preparación del terreno y de construcción del edificio.

Emplazamiento del ITER
En un principio, los tres emplazamientos que se disputaban el proyecto eran: Europa (Francia y España), Canadá y Japón.

El Gobierno Canadiense mostró interés por albergar el proyecto en Darlington cerca de Toronto, Japón presentó su candidatura en Rokkaishomura, Francia ofreció su centro nuclear de Cadarache y España propuso su emplazamiento en Vandellós I, después del positivo estudio de viabilidad coordinado por el CIEMAT y realizado por diferentes institutos de investigación e industrias, entre las que destaca IBERTEF (consorcio formado por Empresarios Agrupados y SENER).

Después de un complejo proceso de evaluación tecnológica, a finales de 2003 la Comisión Europea decidió presentar como candidatura europea la francesa de Cadarache frente a la española de Vandellós. Así, Francia representará a la Unión Europea ante las otras dos candidaturas internacionales: Canadá y Japón.

Finalmente la candidatura ganadora fue la del sur de Francia que es donde se está construyendo en la actualidad.

Ventajas de la fusión nuclear
Entre las ventajas de este dispositivo pueden citarse las siguientes:

La fusión nuclear es una energía limpia ya que no produce gases nocivos y genera residuos nucleares  de muy baja actividad.

Un reactor de fusión nuclear es intrínsecamente seguro ya que la propia reacción se detiene al cortar el suministro de combustible. No depende de ningún sistema externo de seguridad susceptible de errores.

Es una fuente inagotable de energía ya que el Deuterio existe en abundancia en la naturaleza y el Tritio es generado dentro del propio reactor a partir del Deuterio.