Fusió nuclear
La fusió nuclear és una reacció nuclear en la qual dos nuclis d'àtoms lleugers, en general l'hidrogen i els seus isòtops (deuteri i triti), s'uneixen per formar un altre nucli més pesat, alliberant una gran quantitat d'energia (veure la definició d'energia).
De fet, l'energia solar és un exemple d'energia nuclear de fusió ja que té el seu origen en la fusió nuclear de nuclis d'hidrogen, generant-se heli i alliberant una gran quantitat d'energia que arriba a la Terra en forma de radiació electromagnètica.
Per efectuar les reaccions de fusió nuclear, s'han de complir els següents requisits:
• Temperatura molt elevada per separar els electrons del nucli i que aquest s'aproximi a un altre vencent les forces de repulsió electrostàtiques. La massa gasosa composta per electrons lliures i àtoms altament ionitzats s'anomena PLASMA.
• Confinament necessari per mantenir el plasma a elevada temperatura durant un temps mínim.
• Densitat del plasma suficient perquè els nuclis estiguin a prop els uns dels altres i puguin lloc a reaccions de fusió.
Els confinaments convencionals, com les parets d'un vas, no són factibles a causa de les altes temperatures del plasma. Per aquest motiu, es troben en desenvolupament dos mètodes de confinament:
• Fusió nuclear per confinament inercial (FCI): Consisteix a crear un mitjà tan dens que les partícules no tinguin gairebé cap possibilitat d'escapar sense xocar entre si. Una petita esfera composta per deuteri i triti és impactada per un feix de làser, provocant la seva implosió. Així, es fa centenars de vegades més densa i explotar sota els efectes de la reacció de fusió nuclear.
• Fusió nuclear per confinament magnètic (FCM): Les partícules elèctricament carregades del plasma són atrapades en un espai reduït per l'acció d'un camp magnètic. El dispositiu més desenvolupat té forma toroidal i s'anomena tokamak.
Aspectes generals de la fusió nuclear
La fusió nuclear té lloc quan dos nuclis d'àtoms lleugers s'uneixen per formar un altre nucli més pesat, alliberant una gran quantitat d'energia.
Els elements atòmics emprats normalment en les reaccions nuclears de fusió són el Hidrogen i els seus isòtops: el Deuteri (D) i el Triti (T). Les reaccions de fusió més importants són:
D + T --> 4He + n + 17,6 MeV
D + D --> 3He + n + 3,2 MeV
D + D --> T + p + 4,03 MeV
n = neutrons
p = protons
Perquè tinguin lloc aquestes reaccions s'ha de subministrar als nuclis l'energia cinètica necessària perquè s'aproximen els nuclis reaccionants, vencent així les forces de repulsió electrostàtiques. Per això cal escalfar el gas fins a temperatures molt elevades (107 o 108 º C), com les que se suposa que tenen lloc al centre de les estrelles.
El gas sobreescalfat a tan elevades temperatures, de manera que els àtoms estan altament ionitzats, rep el nom de plasma.
El requisit de qualsevol reactor de fusió és confinar dit plasma amb la temperatura i densitat prou elevades i durant el temps just, per tal de permetre que ocorrin suficients reaccions de fusió, evitant que s'escapin les partícules, per obtenir un guany net d'energia. Aquest guany energètica depèn de que l'energia necessària per escalfar i confinar el plasma, sigui menor que l'energia alliberada per les reaccions de fusió. En principi, per cada mil · ligram de deuteri-triti es poden obtenir 335 MJ.
Combustible utilitzat en la fusió nuclear
És ben sabut que les tres quartes parts del planeta estan cobertes per aigua, les molècules estan formades per dos àtoms d'hidrogen i un d'oxigen.
El Deuteri és un isòtop estable de l'hidrogen format per un protó i un neutró. La seva abundància en l'aigua és d'un àtom per cada 6.500 àtoms d'hidrogen, el que significa que amb el contingut de deuteri existent en l'aigua del mar (34 grams per metre cúbic) és possible obtenir una energia inesgotable, i el contingut energètic és tal que amb la quantitat de deuteri existent en cada litre d'aigua de mar, l'energia obtinguda per fusió d'aquests àtoms de deuteri equival a 250 litres de petroli.
L'altre element empleat, el Tritio, és l'isòtop inestable o radioactiu de l'àtom d'hidrogen. Està compost per un protó i dos neutrons i es desintegra per emissió beta amb relativa rapidesa, i encara que és escàs en la natura, pot ser generat per reaccions de captura neutrònica amb els isòtops de l'Liti, material abundant en l'escorça terrestre i en l'aigua del mar.
Confinament
Els confinaments convencionals no són possibles a causa de les altes temperatures del plasma que han de suportar. Per aquest motiu, s'han desenvolupat dos importants mètodes de confinament:
• Fusió per confinament inercial (FCI): Tecnologia per a produir la fusió termonuclear aprofitant la inèrcia mecànica de petites esferes sòlides i denses de Deuteri-Triti per escalfar fins a la temperatura de fusió mitjançant la injecció de breus i intensos polsos d'energia (radiació làser o partícules molt energètiques procedents d'un accelerador). El bombardeig d'aquestes esferes provoca el seu escalfament i la posterior compressió de la seva superfície a una altíssima temperatura, formant un plasma calent. El plasma s'escaparà lliurement cap a fora, però per conservació de l'impuls, part de les partícules haurà d'anar cap a dins. Aquesta implosió serà capaç de comprimir la barreja de gas Deuteri-Triti que pot col.locar dins de l'esfera, i juntament amb la calor produïda provocar una fusió termonuclear. En aquest procés, les fases d'escalfament i confinament s'efectuen al mateix temps, fent servir el mateix dispositiu subministrador de l'energia.
• Fusió per confinament magnètic (FCM): Tecnologia per a provocar la fusió mantenint el plasma de Deuteri-Triti confinat mitjançant un camp magnètic de la configuració i intensitat adequades. Amb l'ús dels camps electromagnètics s'aconsegueix que les partícules del plasma s'accelerin, evitant que segueixin camins aleatoris i puguin reaccionar amb més facilitat. Les fases d'escalfament i confinament es fan per separat. El confinament magnètic més simple és un camp magnètic uniforme, on les partícules realitzaran trajectòries espirals al voltant de la direcció del camp Això seria suficient per confinar les partícules en només dues direccions. Per evitar la pèrdua de les partícules al llarg de l'eix del camp hi ha dues possibles opcions: Es pot construir un toro-configuració tancada-o es pot crear en els extrems una zona d'alta densitat de línies de camp magnètic que reflectiria les partícules dins de la regió on el camp és inferior. Serien els miralls magnètics.
L'immens potencial energètic de la fusió incentiva el continu desenvolupament tecnològic en ambdós tipus de confinament. Amb el Deuteri existent en tot el Planeta es podrien obtenir 1.021 kW / any, la qual cosa podria donar energia durant aproximadament 1.011 anys, considerant la poca quantitat que es necessita per reacció de fusió.
Evolució històrica i projectes futurs
Els orígens de la fusió nuclear es localitzen cap a 1929 quan Atkinson i Houtemans plantejar la possibilitat d'obtenir energia de les reaccions de fusió. No obstant això, els conceptes més importants de fusió nuclear i la seva aplicació, es van desenvolupar a partir de 1942 amb els treballs d'H Bethe, E. Fermi, R. Oppenheimer i E. Teller, entre altres. A través del projecte Sherwood es van dur a terme els primers avenços tecnològics, que van permetre desenvolupar el concepte de confinament magnètic, obtenint els primers dissenys: z-pinch, stellarator i miralls magnètics.
El 1961, J. Nuckolls (EUA) i N. Basov (URSS) van desenvolupar una tècnica mitjançant la qual es podrien obtenir reaccions de fusió nuclear mitjançant altes compressions provocades per la cessió d'energia. Es van desenvolupar així programes secrets als EUA i Rússia. Posteriorment, França s'uneix a aquest desenvolupament, també secret. Altres països com Alemanya, Japó, Itàlia i els EUA (Rochester) van desenvolupar programes oberts.
El 1965, Artsimovich presentar els resultats de les seves investigacions, en la "2 ª Conferència de Plasma i Fusió controlada", sobre el concepte Tokamak (Toroidal Kamera MAgnetiK).
En el concepte Tokamak, el camp magnètic necessari per confinar el plasma és el resultat de la combinació d'un camp toroïdal, d'un camp poloidal, ambdós creats per bobines toroidals, i d'un camp vertical (creat per un transformador). El plasma actua com a secundari d'un transformador per on s'indueix corrent que l'escalfa. Pel primari del transformador circula una intensitat de corrent variable.
El 1968, el Premi Nobel N. Basov, ha informat de l'obtenció de temperatures d'ignició i de la producció de neutrons en les reaccions de fusió emprant làsers. A partir de llavors, es va poder disposar d'una gran quantitat d'aparells en construcció i operació sota el concepte Tokamak com els següents: TFR (França), T-4 i T-11 (URSS), ALCATOR i ORMAK (EUA). Altres com el T-10 (URSS), PLT (EUA), DITE (GB), ASEDX (RFA) i Frascati (EURATOM-Itàlia) van començar a construir-se.
En la dècada dels 70 va començar a produir-se la primera sèrie de publicacions sobre FCI (Fusió per confinament inercial). Als EUA, els principals investigadors van Brueckner, Nuckolls, Kidder i Clark. A Rússia, Basov i el seu equip van aconseguir l'experiment més avançat, aconseguint prop de 3 milions de neutrons en la implosió d'esferes de CD2.
Basats en aquest concepte existeixen i han existit gran nombre de serveis amb làser que han permès avançades investigacions. D'elles es poden destacar: NOVA (40 kJ, EUUU), OMEGA (30 kJ), GEKKO-XII (10 kJ, Japó), Phebus (3 kJ, França), VOLCAN (UK), ISKRA-5 (Rússia).
A partir d'aquestes instal.lacions de làser s'han desenvolupat dos grans projectes per demostrar altes guanys: National Ignition Facility (NIF) als EUA i Laser MegaJoule (LMJ) a França.
Però el làser no és l'únic dispositiu capaç de produir implosiones, també s'observa que electrons i feixos de ions lleugers i pesats són seriosos candidats a la fusió per confinament inercial. Neixen així els següents projectes amb ions lleugers: Angara i PROTO (Rússia), PBFA-I i PBFA-II (EUA).
En relació amb els ions pesants, en no existir experiments no s'han pogut assolir resultats exactes, encara que s'han realitzat certes prediccions mitjançant simulacions teòriques com les realitzades en el Projecte HIDIF (Heavy Ion Design of Ignition Facility) patrocinat per diversos laboratoris i instituts europeus i pel Lawrence Berkeley Laboratory americà.
En la dècada dels 90, les instal lacions de tipus tokamak: JET (EURATOM), TFTR (EUA) i JT-60 (Japó), van permetre obtenir certa potència. El primer va ser el JET, que amb una barreja de D (90%) i T (10%) va aconseguir el 1991, una potència de 1,7 MW. Posteriorment, el 1993, el TFTR amb una barreja de DT al 50% va arribar fins als 6 MW, aconseguint temperatures de 30 keV. En l'escalfament es van gastar 29 MW. En l'actualitat, el TFTR està clausurat. Fins ara, s'han arribat a produir fins a 12 MW de potència en reaccions de fusió controlades durant més d'un segon (JET, 1997) i hi ha la confiança que amb els avenços tecnològics actuals sigui possible arribar al rang comercial de centenars de MW de forma mantinguda.
La recerca experimental en FCM (Fusió per Confinament Magnètic) a Espanya ha estat concentrada al CIEMAT (Centre d'Investigacions Energètiques, Mediambientals i Tecnològiques), remuntant a 1983, any en què es posa en funcionament la primera màquina de fusió, el Tokamak TJ-I.
Des d'aquest instant, la investigació ha progressat de manera constant, i així, el 1994 es va posar en marxa el primer dispositiu de fusió construït totalment a Espanya: el Stellerator TJ-I upgrade, que va ser cedit el 1999 a la Universitat de Kiel en entrar en operació el TJ-II.
El TJ-II va suposar un gran salt científic pel que fa als experiments anteriors es considera un dels tres stellerators més avançats del món juntament amb l'alemany
Wendelstein 7-AS de l'Institut Max Planck a Munic i el japonès LHD de la Universitat de Nagoya.
El projecte de fusió nuclear per confimanet magnètic: l'ITER
El projecte més avançat en fusió per confinament magnètic és l'ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), prototip basat en el concepte Tokamak, i en el qual s'espera arribar a la ignició. Davant els bons resultats obtinguts en el JET, el 1990 es va decidir continuar el programa de fusió amb una instal lació més gran en la qual a més del reactor, poguessin provar els seus sistemes auxiliars sense generar encara electricitat. En aquest projecte participen la Unió Europea, Canadà, EUA, Japó i Rússia.
L'objectiu és determinar la viabilitat tècnica i econòmica de la fusió nuclear per confinament magnètic per a la generació d'electricitat, com a fase prèvia a laconstrucción d'una instal lació de demostració comercial.
ITER és un projecte tecnològic la construcció del qual s'estima necessitarà 10 anys i almenys 20 d'investigació. Entre les tecnologies emprades per a la seva construcció i posterior funcionament i manteniment destaquen la robòtica, superconductivitat, microones, acceleradors i els sistemes de control.
A la màquina ITER no es produirà energia elèctrica, es provessin les solucions als problemes que necessiten ser resolts per fer viables els futurs reactors. Aquest ambiciós projecte d'investigació donarà els seus primers resultats a partir del 2050.
Les inversions realitzades per a la seva construcció s'estimen en prop de 5.000 milions d'euros. Els costos de funcionament arribaran als 5.300 milions d'euros i els de desmantellament ascendeixen a 430 milions d'euros. El país on s'instal haurà de córrer amb els costos de preparació del terreny i de construcció de l'edifici.
Emplaçament de l'ITER
Al principi, els tres emplaçaments que es disputaven el projecte eren: Europa (França i Espanya), Canadà i Japó.
El Govern Canadenc va mostrar interès per albergar el projecte en Darlington prop de Toronto, Japó va presentar la seva candidatura en Rokkaishomura, França va oferir el seu centre nuclear de Cadarache i Espanya va proposar la seva ubicació a Vandellòs I, després del positiu estudi de viabilitat coordinat pel CIEMAT i realitzat per diferents instituts d'investigació i indústries, entre les quals destaca IBERTEF (consorci format per EmpresariosAgrupados i SENER).
Després d'un complex procés d'avaluació tecnològica, a finals de 2003 la Comissió Europea va decidir presentar com a candidatura europea la francesa de Cadarache davant l'espanyola de Vandellòs. Així, França representarà a la Unió Europea davant les altres dues candidatures internacionals: Canadà i Japó.
Fnalment el projecte es va otorgar al Sud de França on ja s'han iniciat les obres de construcció.
Avantatges de l'energia nuclear de fusió
Entre els avantatges d'aquest dispositiu es poden esmentar les següents:
• La fusió nuclear és una energia neta ja que no producegases nocius i genera residus nuclears de molt baixa activitat.
• Un reactor de fusió és intrínsecament segur ja que la pròpia reacció s'atura en tallar el subministrament de combustible. No depèn de cap sistema extern de seguretat susceptible d'errors.
• És una font inesgotable d'energia ja que el Deuteri existeix en abundància en la naturalesa i el Triti és generat dins del propi reactor a partir del Deuteri.