Fusión nuclear , ¿ La energia del siglo XXI?

LA ENERGIA DEL SOL Y LAS ESTRELLAS


La fusión nuclear, por sus reservas prácticamente inagotables de combustible, ofrece una gran potencialidad como una fuente de energía alternativa en el siglo XXI. Las reacciones de fusión son las que liberan la energía que alimenta el sol y las estrellas. Los investigaciones en física de plasmas permiten reproducir en la tierra las condiciones que requieren la fusión termoluclear controlada.

Los plasmas, conjunto de partículas con carga eléctrica que se mueven libremente, existen en circunstancias muy distintas y abarcan un rango muy amplio de temperaturas y densidades. La física del plasma es la base de nuestro conocimiento del Sol y las estrellas, de los espacios interestelares, las galaxias, las auroras boreales, los relámpagos así como las reacciones de fusión termonuclear controlada.

De las alternativas investigadas para conseguir la fusión nuclear controlada, destacan los sistemas de confinamiento mediante campos magnéticos, entre los que los dispositivos tokamak y stellarator constituyen las principales líneas de investigación, y la fusión inercial, que intenta conseguir la fusión nuclear a partir de intensos láseres o haces de partículas que comprimen el material fusionable (deuterio y tritio). Las investigaciones en fusión nuclear combinan los problemas de física básica con desarrollos de alta tecnología.

El objetivo fundamental que impulsa la investigación en fusión nuclear es demostrar la viabilidad científica - tecnológica de una reactor de fusión nuclear. Treinta años de intensa investigación en física de plasmas en dispositivos de confinamiento magnético han pertimitido alcanzar un elevado nivel de conocimiento en las áreas de investigación claves para el desarrollo de un reactor de fusión nuclear, tales como, trayectorias de partículas cargadas, equilibrio y estabilidad macroscópica de plasmas y calentamiento mediante ondas e inyección de haces de partículas energéticas. La generación de energía de fusión primero en el laboratorio Europeo JET, en Noviembre de 1991, y posteriormente en los laboratorios de la universidad de Princeton (E.E.U.U.) en 1993 ha marcado un importante hito en la investigación en plasmas de fusión en el camino hacia la construcción de un reactor de fusión. En el contexto nacional, la puesta en operación del dispositivo de fusión nuclear TJ-II (Laboratorio Nacional de Fusión por Confinamiento Magnético, Madrid) actúa como catalizador de proyectos de investigación aplicada-básica en una amplia gama de problemas que tiene como eje central la fusión nuclear.

Desde una perspectiva de física básica, el problema del transporte en plasmas de fusión refleja las propiedades de sistemas muy alejados del equilibrio termodinámico con fuentes de energía libre asociadas a gradientes de densidad, temperatura que dan lugar a una gran variedad de inestabilidades. Esta problemática, de marcado carácter multidisciplinario, posiciona a los estudios de plasmas de fusión nuclear como un punto de encuentro de distintas disciplinas científicas que van desde estudios de magnetohidrodinámica hasta dinámica de sistemas complejos.

Desde una perspectiva tecnológica la fusión nuclear impulsa una amplia gama de desarrollos en nuevos materiales, sistemas de calentamiento, diagnósticos de plasmas, superconductividad y sistemas de control remoto.

FUSIÓN: LA ENERGÍA DEL SIGLO XXI

La importancia de la fusión

La fusión termonuclear controlada es una de las pocas opciones energéticas con capacidad potencial de suministro a gran escala para el siglo XXI.

Estimaciones razonables hacen pensar que la población mundial crecerá hasta alcanzar unos 10 000 millones de personas hacia mediados del siglo próximo.

En 1990 el consumo de energía primaria por habitante y año, en los países industrializados, fue de 2.2 x 10¹¹ Julios, es decir 5.1 t.e.p. (toneladas equivalentes de petróleo) y 10 veces menos en los países en vías de desarrollo. Dependiendo de los escenarios considerados para la evolución de la demanda energética, el consumo de energía primaria mundial podría llegar a multiplicarse por dos o por tres en el año 2050.

Las fuentes de energía capaces de cubrir una parte sustancial de las necesidades energéticas previstas son las siguientes:

• Combustibles fósiles: principalmente el carbón, ya que las reservas de petróleo y de gas natural habrán disminuido considerablemente.
• Energía nuclear: fisión y fusión.
• Energías renovables: hidráulica, solar, eólica, maremotriz, geotérmica, biomasa, etc ...

Los combustibles fósiles presentan problemas de contaminación ambiental, como lluvia ácida y exceso de CO₂. Las energías renovables, aunque vayan cubriendo cada vez más necesidades energéticas, son fuentes dispersas y de baja concentración para usos industriales. Las centrales nucleares llevan asociadas el problema de almacenamiento de residuos radiactivos de alta activación. Se hace necesario desarrollar opciones energéticas nuevas prestando especial atención a los aspectos de seguridad, de impacto ambiental y económicos. La fusión termonuclear controlada constituye una de esas opciones, a pesar de que todavía haya que superar el problema de la complejidad tecnológica de los dispositivos para fusión. En efecto, el reto de la fusión es reproducir en la Tierra las reacciones que se producen en el interior de las estrellas. Construir reactores de fusión capaces de satisfacer una parte sustancial de las necesidades energéticas del planeta a medio plazo. El combustible necesario es abundante: el deuterio forma parte del agua de mares y oceanos, el tritio se podría producir a partir del litio, en el mismo reactor, en el llamado manto fértil. El sistema es seguro pues un reactor sólo contiene combustible para unos segundos de operación, y respetuoso con el medio ambiente al no producir gases contaminantes. Escogiendo materiales de construcción de baja activación se evitaría almacenar residuos estructurales durante centenares de años.

Reacciones nucleares

Los núcleos atómicos están formados por protones y neutrones empaquetados de forma enormenente compacta en una pequeña región del espacio. A estos elementos comunes de todos los núcleos se les denomina nucleones. Los protones y los neutrones tienen una masa prácticamente idéntica, 1836 veces mayor que la de los electrones. El radio del núcleo viene dado aproximadamente por la expresión

donde r=1.5 x 10^-13 cm y A es el número de nucleones.

Z es el número de protones en el núcleo, y en consecuencia la variación de A-Z para una Z determinada es la que da lugar a los isótopos. Los isótopos del hidrógeno, el deuterio y el tritio, son los más relevantes para fusión en la actualidad, como veremos más adelante. Muy frecuentemente los isótopos de un elemento natural son radiactivos y se transforman de manera espontánea en otros. El tritio, por ejemplo, presenta una débil emisión b ( con energía media de 5.7 keV y máxima de 18.6 keV) y con una vida media de 12.35 años. Pero este fenómeno no será importante para la fusión pues en la escala de tiempos característicos en que ocurren los procesos de fusión ocurirá muy raramente.

En los núcleos, las fuerzas de repulsión entre los protones son mucho menores que las fuerzas nucleares de atracción o enlace que mantienen el núcleo unido. Para extraer un nucleón de un núcleo hace falta energía, cuando el nucleón queda atrapado en el núcleo, libera esa misma energía. Esta energía depende del peso atómico A, pero tiene un valor máximo en torno a 8 MeV para los núcleos situados en las cercanias del hierro. En los procesos de fisión, elementos pesados con energía de enlace inferior a 8 MeV se rompen en núcleos más ligeros liberando energía, tendiendo hacia el hierro. En los procesos de fusión, dos núcleos de átomos ligeros se combinan o fusionan para dar lugar a uno más pesado, tendiendo también hacia el hierro. Es este último proceso de fusión el que lleva a las estrellas, al final de sus vidas, a tener un núcleo de hierro. Tanto en el caso de la fisión como en el de la fusión se libera una considerable cantidad de energía equivalente a la disminución de la masa de los productos finales con relación a los productos iniciales. Se cumple la famosa ecuación de Einstein:

Para que se forme un núcleo de más de un constituyente es preciso que ambos se acerquen a distancias del orden del alcance de las fuerzas nucleares. Para superar las fuerzas de repulsión culombiana, dos protones tendrán que superar dicha fuerza que actúa como barrera, antes de que la atracción de las fuerzas nucleares entre en juego. Las fuerzas de repulsión culombianas son proporcionales a la carga de los núcleos que interaccionan, y por ello, los plasmas de la familia del hidrógeno son los más adecuados para conseguir fusión. Existen diversos tipos de reacciones de fusión aprovechables desde el punto de vista energético. De entre todas las que implican isótopos de hidrógeno, la reacción deuterio-tritio es la que presenta mayor sección eficaz para temperaturas relativamente bajas y, por tanto, es la más fácil de obtener de manera controlada. La reacción genera un neutrón de alta energía y helio.

En nuestro planeta el deuterio es abundante en el agua del mar (30 g/m³), pero el tritio no existe en estado natural ya que es radiactivo con una vida media de 12.36 años y hay que producirlo. En un reactor de fusión los neutrones, que llevan el 80 % de la energía producida, se absorberán en una cobertura generadora de tritio o manto fértil que envolverá la parte central del reactor y que contendrá el litio que se transformará en tritio y helio:

El litio natural (92.5% 7Li y 7.5% 6Li) es un elemento abundante en la corteza terrestre (30 ppm: partes por millón) y en menores concentraciones en el mar. El espesor del manto debería ser lo suficientemente grande (del orden de un metro) para frenar los neutrones (de 14 MeV) producidos por las reacciones de fusión. Los neutrones se combinan con el litio para producir tritio. Al frenar los neutrones, el manto fértil se calienta y el refrigerante que circula en su interior transfiere el calor fuera del área del reactor para producir vapor de agua que generará finalmente electricidad de un modo convencional.

El uso de deuterio puro como combustible es un objetivo a largo plazo que tiene la siguientes ventajas: no es radiactivo, no se necesita un manto fértil para producirlo, e induce radiactividad de bajo nivel en la estructura. La reacción produce helio-3 y un neutrón, o tritio y un protón.

La reacción deuterio-helio-3 es atractiva por su sección eficaz y porque no produce neutrones. El helio-3 es muy escaso en la Tierra, pero existe en grandes cantidades en la Luna.

Plasmas de fusión

En los laboratorios, para vencer la repulsión electrostática entre los núcleos que se quieren fusionar, es necesario comunicarles mucha energía; esto se consigue calentándolos a elevadas temperaturas. En estas condiciones la materia se encuentra en forma de gas ionizado, que exhibe un comportamiento colectivo, llamado plasma. El 99% del Universo está constuido por plasmas, o sea materia ionizada, pero en la naturaleza existe una enorme variedad de plasmas que no cumplen necesariamente las condiciones de altas temperaturas de plasma para fusión.

Para conseguir un rendimiento neto positivo en una reacción de fusión es necesario calentar un plasma a temperaturas suficientemente altas y alcanzar densidades, n, del orden de 10²⁰ partículas/m³, durante tiempos Tau_E del orden de segundos. Es decir, el producto n Tau_E debe superar una cota mínima, denominada criterio de Lawson, a temperaturas del orden de 100 millones de grados. El objetivo final del programa de investigación en fusión controlada es lograr la condición de ignición, es decir mantener la combustión del plasma mediante el aporte de energía de los propios subproductos de la fusión, confinados en el plasma. En un reactor de deuterio-tritio (D-T) la energía cinética de las cenizas de helio mantendrá la temperatura necesaria para que las reacciones se sigan produciendo y no se requiera calentamiento exterior.

Se estudian dos vías experimentales para llegar a esta condición, la fusión por confinamiento magnético, en la cual un plasma caliente se confina mediante campos magnéticos que actúan como una trampa magnética para las partículas cargadas del plasma, en este esquema n = 10²⁰ m^-3 y Tau_E = 1 a 5 s; la fusión por confinamiento inercial, en la que una diminuta cápsula de combustible se comprime fuertemente (más de mil veces la densidad de un líquido) hasta que se inicia la ignición en el centro y se propaga hacia el exterior, donde el combustible está más frío. La ignición dura mientras el combustible se mantiene confinado por su propia inercia. El confinamiento inercial no puede ser estacionario, en este esquema n = 10³¹ m^-3 y Tau_E = 10^-11 s; Tau_E es el tiempo de libre expansión de la materia.

Una de las características del plasma es que se pueden confinar mediante campos magnéticos. En efecto, las partículas cargadas del plasma se ven obligadas a describir trayectorias en forma de espiral alrededor y a lo largo de las líneas de campo magnético.

La ecuación de movimiento de la partícula es:

donde m es masa de la partícula, e la carga de la partícula y c la velocidad de la luz. La componente de v paralela al campo B no se ve afectada por B pero la partícula gira en torno a B como eje, describiendo círculos de radio rL (radio de Larmor):

siendo la componente perpendicular a B.

La suma del movimiento circular y de traslación con velocidad v_|| dan lugar a una trayectoria helicoidal con un momento magnético,

donde es la energía magnética de rotación de la partícula.

El momento magnético de la partícula tiene la propiedad de conservarse, con lo cual la energía magnética de la partícula será mayor cuanto mayor sea el campo magnético.

Sin embargo las colisiones entre partículas producen desplazamiento de éstas a través de las líneas y superficies magnéticas, con la consiguiente pérdida de confinamiento magnético. Este transporte colisional es inevitable pero no impide que las párticulas se puedan confinar, sino que reduce su tiempo de confinamiento.

La investigación en el campo de la fusión por confinamiento magnético es, en la actualidad, la más avanzada de cara a la construcción de un futuro reactor de fusión.

Fuente: Asociación EURATOM-CIEMAT para fusión