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{28 agosto, 2016}   La ‘estrella en un frasco’ que podría generar energía ilimitadamente para la Tierra

Fuente:Princeton Plasma Physics Laboratory/Eureka Alert/RT

Físicos estadounidenses trabajan en un dispositivo de fusión que podría proporcionar energía a la humanidad por tiempo casi indefinido.

Origen: La ‘estrella en un frasco’ que podría generar energía ilimitadamente para la Tierra

(Reactor de fusión experimental JET). Este reactor del tipo tokamak y el simulador por confinamiento magnético stellarator Wendelstein 7-X de eje de la hélice optimizada, son los reactores mas grandes del mundo en la actualidad.

 

Los reactores de fusión nuclear son proyectos experimentales, viables, que se hallan en proceso de diseño y realización. Se utilizarán para generación de energía a partir de la fusión termonuclear de iones confinados por campos magnéticos.

En 1854, Hermann von Helmholtz propuso que era la propia gravedad del Sol la que permitía liberar gran cantidad de energía. Postulaba que si la materia de una estrella cae hacia su centro, la estrella se contraerá gradualmente, y en contrapartida emitirá radiación durante mucho tiempo

Toda esa masa estelar, al contraerse y fusionarse bajo la presión extrema de la gravedad, hace que el hidrógeno se reconvierta en helio (He). En estas reacciones, aproximadamente 0,5% de la masa del hidrógeno se convierte en energía, de acuerdo con la famosa ecuación de Einstein E=mc2, que relaciona la masa y la energía. De este modo, las estrellas irradian energía en modalidad de luz y de calor.

Para emular al Sol y reproducir una fusión artificial a pequeña escala, en lugar de hidrógeno, como combustibles se utilizan deuterio (²H) y tritio (³H), según los criterios de Lawson, aunque en algunos proyectos, también se experimenta con Helio-3 (³He),3 dado que, para fusionarse, estos tres isótopos del hidrógeno y el helio, necesitan menor energía calorífica que la utilizada por las estrellas.

Interior de un reactor de fusión “Tokamak”.

Tokamak una configuración variable (TCV): vista interior, con el toro de grafito-claded. Cortesía del CRPP-EPFL, Asociación Euratom-Suisse

en español cámara toroidal con bobinas magnéticas), es un aparato cuyo objetivo es obtener la fusión de partículas de plasma, lo que generaría grandes cantidades de energía, para así conseguir la reacción nuclear de fusión de dos partículas ligeras en una partícula más estable de peso medio y producir una energía en relación con la equivalencia de Einstein:

E = {m} \cdot {c^2}
Las ventajas de la fusión sobre la fisión (que se utiliza hoy en las centrales nucleares) son: a) no produce desechos radiactivos directos y b) no precisa de un combustible no renovable y tan escaso como el uranio. En cambio, es mucho más difícil de iniciar: Hasta la fecha no se ha alcanzado el punto de equilibrio entre la energía que se necesita para acelerar y confinar el plasma y la que se obtiene con la fusión de algunas partículas. Sin embargo no hay razones teóricas para ello, sino sólo razones técnicas, que el proyecto internacional ITER trata de resolver.El Tokamak fue ideado en los años 1950 por los físicos soviéticos Ígor Tam y Andréi Sájarov, basándose en las ideas propuestas por Oleg Lavrentiev en 1950.

En 1956, comenzaron las investigaciones experimentales de estos sistemas en el Instituto de Energía Atómica «I. V. Kurchatov» de la Academia de Ciencias de la URSS. El primer Tokamak consistió en una cámara de vacío con forma toroidal que contenía hidrógeno y un dispositivo eléctrico que por fuertes descargas ionizaba el gas hasta llevarlo al estado plasmático. Un fuerte campo magnético helicoidal provocado con potentes electroimanes lograba el confinamiento del plasma de elevadísimas temperaturas.

El 21 de mayo de 2000, se anuncia que físicos estadounidenses han superado uno de los problemas de la fusión nuclear, el fenómeno llamado modos localizados en el borde, o ELMs (por sus siglas en inglés) que provocaría una erosión del interior del reactor, obligando a su reemplazo frecuentemente. En un artículo publicado el domingo 21 de mayo de 2000 en la revista británica Nature Physics, un equipo dirigido por Todd Evans, de la empresa General Atomics, California, anuncia el descubrimiento de que un pequeño campo magnético resonante, proveniente de las bobinas especiales ubicadas en el interior de la vasija del reactor, crea una interferencia magnética “caótica” en el borde del plasma que detiene la formación de flujo.

El 24 de mayo de 2006, los siete socios del proyecto ITER –Unión Europea, Japón, Estados Unidos, Corea del Sur, la India, Rusia y China– firmaron en Bruselas el acuerdo internacional para el lanzamiento del reactor de fusión internacional, que se construirá en Cadarache, en el Sudeste de Francia usando el diseño Tokamak. Los costes de construcción del reactor se estimaron en 4.570 millones de euros y la duración de la construcción en 10 años. La UE y Francia se comprometieron a contribuir con el 50% del coste, mientras que las otras seis partes acordaron aportar cada una alrededor del 10%.

Interior de un reactor de fusión termonuclear por confinamiento magnético, de la clase Tokamak.

https://es.wikipedia.org/wiki/Reactores_de_fusi%C3%B3n_nuclear

Tokamak

Para evitar que las partículas del plasma, choquen contra los extremos del reactor, científicos rusos inventaron el reactor «Tokamak». Fue ideado en los años 1950 por los físicos soviéticos Ígor Tam y Andréi Sájarov, basándose en las ideas propuestas por Oleg Lavrentiev en 1950.

Un Tokamak es un reactor termonuclear por confinamiento magnético, que tiene forma de cámara toroidal o cilindro anular toroide, algo parecido a una rosquilla sin extremos. Es un tubo hueco, rodeado exteriormente con unas bobinas que harán posible la trampa magnética. Por su interior circula el plasma confinado, a más de 150 millones de grados, guiado desde el exterior por un campo magnético, con la finalidad de que el plasma sea confinado y no toque las paredes del Tokamak, lo cual causaría pérdida de temperatura. Para que el reactor sea seguro necesita presión baja con el fin de que la densidad del plasma también lo sea. Tecnológicamente esto puede ser complicado, pero es indispensable para el buen funcionamiento del reactor.

Si esta trampa magnética es lo suficientemente fuerte y sus guías magnetizadas forman confinamientos aislantes, los iones y electrones permanecerán atrapados en estas vías magnéticas hasta que colisionan con otras partículas y se produzca la fusión.


Prototipo de un reactor de fusión Tokamak.
El campo magnético de un Tokamak está compuesto por:

Solenoide central: superconductor que induce la corriente en el plasma.
Bobina toroidal: superconductora que confina y estabiliza el plasma. Está situada exteriormente en espiral alrededor del toroide.
Bobina poloidal: superconductora que confina y posiciona el plasma del toroide. Se ubica en la parte más exterior, longitudinalmente al toroide.
Cámara de vacío: mantiene en vacío el plasma. Es la primera barrera de confinamiento para el tritio. Se encuentra en el interior del toroide.
Transformadores: conducen la electricidad que abastece a las bobinas toroidales y poloidales.
Los componentes que ayudan a elevar la temperatura del plasma, hasta que alcance la temperatura crítica, son la inyección de haces o chorros de átomos neutros muy energéticos y las radiofrecuencias.

Los Tokamak tienen varias cryopomps (criobombas), que trabajan bajo un frío extremo para refrigerar los imanes de la trampa magnética, crear el vacío y así extraer mejor las cenizas del helio generado por la reacción de fusión de deuterio-tritio.14 15 Estas entran en funcionamiento después de que las bombas mecánicas hayan vaciado la mayor parte de las moléculas de aire y las impurezas de la cámara toroidal.

El plasma que circula en el interior del «torus» central está compuesto por 50% de deuterio y 50% de tritio, lo cual puede generar millones de watts, que podrían abastecer miles de casas, pero también hay que tener en cuenta que todo el proceso, requiere mucha energía, para mantener el plasma circulando a tales temperaturas.

En caso de accidente en un reactor de fusión, los combustibles (D y T) no generan reacción en cadena que pueda contaminar el ambiente, como ocurre con la fisión nuclear. Si al reactor de fusión se le deja de suministrar combustible, cesa la reacción. Ello implica que este tipo de reacción, por fusión, sea limpio, seguro y ecológico.


Logo del proyecto ITER.
El proyecto ITER demostrará que científica y técnicamente el método Tokamak de fusión es viable. Tendrá que ser capaz de generar 500 megavatios de energía durante cierto tiempo. El proyecto tendrá una función experimental para probar tecnologías imprescindibles con el fin de crear multitud de centrales de fusión industrial en todo el mundo. Se estima que para 2040 estará terminado todo el proyecto de investigación. El ITER producirá diez veces más que la energía requerida como combustible.

Los socios del proyecto ITER, liderados por la Unión Europea, son Estados Unidos, China, Rusia, Japón y Corea del Sur.

El Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT) es el referente de investigación española en el campo de la fusión nuclear. En junio de 2005 los socios del proyecto ITER acordaron construirlo en Francia. Su coste de construcción será de unos 4 700 000 000 (cuatro mil setecientos millones) de euros, con posibilidad de llegar el total de la financiación a 15 000 000 000 (quince mil millones) de euros.

El ITER entrará en funcionamiento aproximadamente el año 2025. Se espera que para mediados de siglo las nuevas generaciones puedan disfrutar de una energía que no embargue el futuro de la humanidad.

Prototipo de un reactor de fusión Stellarator.

Stellarator

Prototipo de un reactor de fusión Stellarator.
Fue inventado por Lyman Spitzer en 1950 y construido un año después en lo que más tarde sería el Laboratorio de Princeton de Física de Plasma.

Los Stellarators («estelaratores») son reactores de fusión toroidales con un campo magnético poloidal producido por bobinas exteriores al plasma. Es uno de los primeros dispositivos de confinamiento magnético diseñados. Su funcionamiento es continuo, pues no existe corriente plasmática inductiva alguna, ni implica riesgo de interrupciones, por no existir corriente interna en el plasma.

Stellarator es un dispositivo utilizado para confinar plasmas calientes mediante campos magnéticos con el objetivo de mantener reacciones de fusión nuclear de forma controlada.

Existen tres tipos de estelaratores:

Torsatrones: tienen bobinas helicoidales continuas.
Modulares: de bobinas no planas.
Helíacos: conjunto de bobinas planas circulares, distribuidas a lo largo de una hélice enrollada alrededor de una bobina central circular.

Los resultados de los stellarators actuales han sido buenos, iguales a los obtenidos en tokamaks y son prometedores a largo plazo, aunque su estudio va retrasado respecto a estos. En Mecklenburg-Vorpommern, Alemania, han finalizado el montaje del Wendelstein 7-X (W 7 -X), un stellarator que tiene como objetivo la producción de 30 pulsos por minuto, una duración que sólo está limitado por la potencia de refrigeración de la instalación. Se desea estudiar la estabilidad de un plasma de pocos miligramos de hidrógeno calentado hasta unos cien millones de grados y mantenerlo estable en el reactor durante al menos 30 minutos. Es solo un proyecto de simulación y en el, nunca se inyectará combustible.

Fusión por confinamiento inercial

La instalación NIF, es un gran proyecto de fusión inercial, que trata de demostrar la viabilidad de la fusión nuclear como fuente de energía.

Conjunto de dianas para el experimento de encendido del NIF.
En el confinamiento inercial, el plasma es contenido a unas altas densidades, por un leve margen de tiempo.

Esto se consigue inyectando una gran cantidad de energía sobre el combustible. Para ello se utilizan haces de alta energía de la luz láser, electrones o iones. La capa exterior se calienta mucho y muy rápido, saliendo despedida hacia fuera al explosionar, empujando y comprimiendo, al resto de capas interiores hacia el centro mediante ondas de choque, alcanzando grandes temperaturas y creando la fusión.

Como combustible se utiliza un pequeña pastilla de deuterio-tritio. Inyectándole una gran cantidad de energía, conseguimos que se expanda la capa mas exterior, produciendo choques energéticos que impulsan parte de la pastilla hacia el interior. El núcleo alcanza así una gran densidad. Ese gran aumento de temperatura, fuerza a que se creé la fusión en un leve lapsus de tiempo.

Las experimentaciones de este confinamiento se han realizado mediante la fusión por láser, y la fusión de haz de iones.

 


Proceso de implosión, comienzo de la fusión y de liberación de energía de una cápsula de combustible de fusión.
1. El rayo láser calienta rápidamente la superficie del objetivo o blanco, lo cual genera plasma alrededor.

2. El objetivo se comprime debido a expulsión del material que lo rodeaba en la superficie.

3. Se produce la implosión de la microcápsula, alcanza a obtener una densidad de 20 veces la del plomo y hace ignición a 100 000 000 °C.

4. La reacción termonuclear se distribuye por el combustible, provoca salida de varias veces la energía entrante, después genera un efecto parecido al de una supernova y el objetivo queda quemado.

 

Proyectos y experimentación
Existen proyectos de mini-reactores de fusión compactos muy interesantes, que se espera sean viables a corto plazo. Como el High beta fusion reactor y el The Polywell Nuclear Reactor, que de ser factibles, harían realidad el sueño del ser humano, de contener la energía de las estrellas, dentro de una botella.Hasta el momento, uno de los reactores de fusión que ha demostrado alguna eficiencia energética, fue en1991 el Joint European Torus (JET). Logró un pico de 1,7 MW, el cual fue el mejor registro en el mundo hasta el 2004. En este mismo experimento se consiguió un valor de Q=~0,7 donde Q es el ratio entre la energía saliente y la energía entrante del reactor, es decir en este caso para producir los 16 MW de potencia se requirió 22,8 MW, lo cual como es lógico imposibilita por ahora su viabilidad (Una planta autosuficiente requiere mínimo un Q>1).

 


Proyecto de fusor por confinamiento de inercia electrostática.
Los reactores experimentales en construcción, como el proyecto internacional (ITER), siglas de International Thermonuclear Experimental Reactor, guiarán la viabilidad de los distintos sistemas de generación de energía por fusión en nuestro planeta. Demostrará que científica y técnicamente el método de fusión es viable. Tendrá que ser capaz de generar 500 megavatios de energía durante cierto tiempo. El proyecto tendrá una función experimental para probar tecnologías imprescindibles con el fin de crear multitud de centrales de fusión industrial en todo el mundo. Se estima que para 2040 estará terminado todo el proyecto de investigación. El ITER producirá diez veces más que la energía requerida como combustible.

Los socios del proyecto ITER, liderados por la Unión Europea, son Estados Unidos, China, Rusia, Japón y Corea del Sur.

El Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT) es el referente de investigación española en el campo de la fusión nuclear. En junio de 2005 los socios del proyecto ITER acordaron construirlo en Francia. Su coste de construcción será de unos 4700 millones de euros, con posibilidad de llegar el total de la financiación a 15 000 millones de euros.

El ITER entrará en funcionamiento aproximadamente el año 2025. Se espera que para mediados de siglo las nuevas generaciones puedan disfrutar de una energía que no embargue el futuro de la humanidad. 

Ventajas y desventajas

Imitando los procesos termonucleares producidos en el Sol, el hombre busca una energía; limpia, inagotable y segura.
El ser humano siempre ha soñado con alcanzar una fuente de energía inagotable, limpia y segura. Sin efectos nocivos para el medio ambiente y la salud. Que cubra todas las necesidades del planeta, sin embargar el futuro de las nuevas generaciones.

Estudiando el modelo de fusión termonuclear, que se produce de forma permanente en el interior del Sol, se están realizando proyectos ecológicos, seguros y viables, cuyas reservas del combustible utilizado, (deuterio y tritio) son prácticamente inagotables y pueden demostrar, además de alta generación de energía, los mejores estándares de seguridad y respeto del entorno.

Sucede lo contrario en la fisión nuclear, donde el uranio es un combustible altamente peligroso y escaso, ya que fuera de control genera una reacción en cadena, de efectos catastróficos. Se calcula que las reservas de uranio en el planeta se agotarán en unos cuantos decenios. En caso de accidente en un reactor de fusión, bastaría suspender el suministro de combustible, con lo cual deja de funcionar el reactor y pocos metros más allá de la vasija cesa la radiactividad, ya que el deuterio es inocuo y el tritio es un isótopo escasamente radiactivo (unas 10 000 veces menor que el uranio), que además se podría reciclar en el interior del reactor.

No obstante, la vasija del núcleo en un reactor de fusión, no es 100% limpia y segura, ya que la radiación y las extremas temperaturas a las que se encuentra sometido el plasma, producen contaminación y peligrosidad. Al no existir reacción en cadena, la radiación se concentra únicamente en la vasija y sus inmediaciones.

A la espera de una fuente energética mejor, la fusión nuclear es una posible esperanza, que aspira a terminar con el uso inadecuado de los combustibles fósiles y la peligrosidad de la fisión nuclear.(wikipedia)

 

 



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