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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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320
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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.