La energía nuclear de fusión: conceptos básicos y estado actual

Desarrollando lo expuesto en nuestro artículo sobre Tipos y fuentes de energía, hoy trataremos más en profundidad los conceptos básicos y el estado actual de la energía nuclear de fusión, mediante la cual el Sol y las demás estrellas producen energía, tal y como explicamos en el artículo La vida de la estrellas.

Conceptos básicos

La fusión nuclear es el proceso mediante el cual dos núcleos ligeros se unen para formar un núcleo más pesado. Dependiendo de los elementos que se fusionen, la masa del núcleo resultante puede ser ligeramente inferior a la suma de las masas de los núcleos ligeros y esta diferencia de masa se libera en forma de energía en la reacción. Hay 3 reacciones nucleares principales de fusión:

Figura 1: Principales reacciones nucleares de fusión.
Figura 2: Reacción nuclear de fusión del deuterio y el tritio.

La tercera reacción es la más prometedora, ya que requiere las condiciones de laboratorio más fáciles de satisfacer. Nótese que el deuterio se obtiene fácilmente a partir del agua de mar y el tritio se produce por transmutación de un átomo de litio cuando choca con un neutrón, producto a su vez de la reacción de fusión. Este ciclo cerrado permitirá reutilizar el tritio, evitando así que se produzcan residuos radiactivos.

Desafortunadamente, los dos núcleos ligeros se encuentran cargados positivamente y se repelen. Para superar esta fuerza de repulsión y permitir que la fuerza nuclear pueda actuar, los núcleos deben moverse a velocidades lo suficientemente altas para las cuales el combustible se encuentra en forma de plasma (estado de la materia en el que los electrones dejan de estar ligados a los núcleos atómicos).

El plasma se puede confinar usando un campo magnético helicoidal por el cual circulan los iones del plasma. Dos tipos de dispositivos usan el confinamiento magnético:

  • Tokamak: El campo magnético toroidal es creado por bobinas externas colocadas alrededor del plasma, mientras que el poloidal es originado por una corriente que se induce magnéticamente en el propio plasma a partir de un solenoide central, por lo que su operación es pulsada.
  • Stellarator: El campo magnético poloidal es creado por bobinas retorcidas, eliminando así la necesidad de inducir una corriente en el plasma y permitiendo así un funcionamiento continuo del mismo.
Figura 3: Tokamak (izqda) y stellarator (dcha).

Mediante el “criterio de Lawson”, el cual establece que el triple producto de la densidad del plasma, su temperatura y el tiempo de confinamiento ha de ser mayor que un determinado valor, se establecen las condiciones que ha de cumplir el plasma para generar más energía que la empleada para producirlo.

La gran cantidad de radiación que se va a producir en los futuros reactores de fusión activará los materiales y degradará las propiedades macroscópicas de éstos. Se ha planteado que un reactor de fusión ha de constar de los siguientes materiales:

Materiales funcionales – Aislantes

Conformarán principalmente la primera pared del reactor, por lo que van a sentir el efecto tanto de los neutrones, que causarán principalmente daño por desplazamiento y transmutación, como de la radiación gamma, que produce una excitación en los estados de carga del material que acaban produciendo defectos en la red atómica. Estos materiales también se van a emplear tanto en los diagnósticos como en los sistemas de calentamiento del reactor y actuarán como fibras ópticas, ventanas espejos o lentes.

El daño acumulado y la presencia de radiación ionizante afectarán a las propiedades ópticas y dieléctricas de los materiales funcionales de dos maneras:

  • Induciendo radioluminiscencia y pérdida de transmisión óptica en ventanas, fibras ópticas o espejos.
  • Afectando a la calidad de los materiales dieléctricos y los cables de aislamiento mineral al producir conductividad inducida por radiación, degradación eléctrica también inducida por radiación, degradación de la superficie o voltajes inducidos por radiación.

Materiales funcionales – Céramicas de Li

Son uno de los potenciales candidatos para el manto reproductor (“breeder blanket”), que va a ser el encargado de la autoproducción de tritio en los futuros reactores de fusión. Al igual que el LiPb, el otro potencial candidato de “breeder”, se sitúan justo detrás de la primera pared del reactor, para que los neutrones puedan transmutar el litio en tritio.

Materiales estructurales

Van a conformar la estructura de la vasija del reactor y estarán situados justo detrás de los materiales funcionales, por lo que apenas van a sufrir interacción con los iones del plasma y la principal fuente de daño proveniente del plasma serán los neutrones. Las impurezas y los defectos, que crearán a su paso a través de la estructura, evolucionarán con la dosis y la temperatura y dañarán la microestructura causando fragilización, aumento de volumen, modificación de la estabilidad de fase, disminución de la resistencia y aumento de la corrosión.

Estado actual

La meta de la investigación internacional en el campo de la fusión es diseñar un prototipo de central de generación de energía de fusión que sea seguro, fiable, sostenible, no dañe el medioambiente y sea económicamente viable. En las últimas décadas se ha avanzado de manera importante en cuanto al conocimiento científico y técnico necesario en este campo.

Actualmente, se está construyendo en el sur de Francia un tokamak denominado ITER de 23.000 toneladas de peso que podrá albergar en su interior plasma a 150 millones de grados centígrados, una temperatura 10 veces superior a la del interior del Sol. En su diseño y construcción colaboran Europa (responsable del 45,6% de los gastos), China, India, Japón, Korea, Rusia y Estados Unidos (cada uno a cargo de un 9,1% de los gastos).

Figura 4: Modelo del tokamak ITER. (Fuente: ITER).

Los objetivos de este dispositivo son los siguientes:

  • Producir 500 MW de potencia en pulsos de 400s

El récord mundial de fusión controlada corresponde al tokamak europeo JET. En 1997, produjo 16 MW de potencia a partir de 24 MW invertidos en los sistemas de calentamiento. Con ITER se pretende que a partir de 50 MW inyectados puedan obtenerse 500 MW de potencia a partir de la fusión nuclear en pulsos de 400 a 600 segundos. ITER no será capaz de capturar toda esta potencia que produce en forma de electricidad, pero como primer experimento de fusión de la historia que producirá energía neta, preparará a la máquina para que pueda realizar dicha función.

  • Demostrar la operación integrada de tecnologías para una central de fusión nuclear

ITER supondrá el salto entre los pequeños dispositivos experimentales actuales de fusión nuclear y las futuras centrales de fusión nuclear. Se estudiarán plasmas en condiciones similares a las de estos últimos dispositivos y se probarán las tecnologías de calentamiento, control, diagnóstico, criogenia y mantenimiento remoto.

  • Lograr un plasma de deuterio-tritio cuya reacción se mantenga a partir de calor interno

La investigación actual en fusión nuclear está al borde de explorar un plasma ardiente, donde la energía del núcleo de helio producida cuando los isótopos de hidrógeno se fusionan es tan sumamente grande que supera al calor del plasma inyectado mediante fuentes externas. Como primer plasma ardiente del mundo, ITER ofrecerá la oportunidad de explorar una nueva área de la fusión nuclear controlada.

  • Probar el “breeder blanket”

Una de las últimas misiones de ITER es demostrar la viabilidad de producir tritio en la cámara de vacío, debido a que el abastecimiento mundial de tritio no basta para cubrir las necesidades de futuras centrales de fusión nuclear.

  • Demostrar las características de seguridad de un dispositivo de fusión

En 2012, cuando la organización ITER obtuvo la licencia como operador nuclear en Francia, el dispositivo de fusión ITER se convirtió en el primero del mundo en haber superado los rigurosos exámenes de seguridad. Uno de los objetivos primordiales de ITER es demostrar el control del plasma y de las reacciones de fusión para evitar daños al medioambiente.

La evolución de este proyecto está siendo la siguiente:

2006: Firma del acuerdo ITER

2007-2009: Limpieza y nivelado del terreno

2010-2014: Construcción de la estructura de soporte del tokamak y cimientos sísmicos

2014-2021: Construcción del edificio del tokamak

2010-2021: Construcción de la planta ITER y de los edificios auxiliares

2018-2021: Ensamblar los elementos de la fase 1

Diciembre de 2025: Primer plasma

Figura 5: Construcción de ITER a vista de drone (diciembre 2017).

ITER se trata por lo tanto de un proyecto en pleno desarrollo hoy en día que servirá de precedente a un prototipo de central nuclear de fusión denominada DEMO, cuya construcción está prevista para 2030 ó 2040.

Figura 6: Modelo de la central nuclear de fusión DEMO. (Fuente: ITER).

Paralelamente al desarrollo de ITER, en febrero de 2016 se logró en el Instituto Max Planck de Alemania la visualización de las líneas de campo magnético del plasma generado en el stellarator Wendelstein 7-X, un hito primordial en la historia de la fusión nuclear.

Figura 7: Visualización experimental de las líneas de campo magnético en el stellarator Wendelstein 7-X . (Fuente: Pedersen, T. Sunn, et al. “Confirmation of the topology of the Wendelstein 7-X magnetic field to better than 1: 100,000.” Nature communications 7 (2016): 13493.).

A pesar de que tanto ITER como Wendelstein 7-X, son dispositivos diferentes, se complementan entre sí, y sus progresos constituyen sendos avances en el camino de lograr que la fusión nuclear sea algún día la energía del futuro.

REFERENCIAS:

AGRADECIMIENTOS:

A todo el equipo del Laboratorio Nacional de Fusión del CIEMAT, que me enseñaron todo lo que sé de esta área de la física durante mi estancia de prácticas externas en el verano de 2017 y del que guardo gratos recuerdos, y también en especial a Isabel García Cortés y a Helena Cabal Cuesta por toda la ayuda prestada.

Dejar un comentario

Tu dirección de correo electrónico no será publicada. Los campos obligatorios están marcados con *

Este sitio usa Akismet para reducir el spam. Aprende cómo se procesan los datos de tus comentarios.

Este sitio web utiliza cookies para que usted tenga la mejor experiencia de usuario. Si continúa navegando está dando su consentimiento para la aceptación de las mencionadas cookies y la aceptación de nuestra política de cookies, pinche el enlace para mayor información.plugin cookies

ACEPTAR
Aviso de cookies
A %d blogueros les gusta esto: