Central nuclear d'Isar, Alemanya

Piscina de combustible nuclear gastat

Turbina d'una central nuclear

Fusió nuclear

La fusió nuclear és una reacció nuclear en què dos nuclis de àtoms lleugers, en general l'hidrogen i els seus isòtops (deuteri i triti), s'uneixen per formar un altre nucli més pesat. Generalment aquesta unió va acompanyada amb l'emissió de partícules (en el cas de nuclis atòmics de deuteri es emet un neutró ). Aquesta reacció de fusió nuclear allibera o absorbeix una gran quantitat d'energia en forma de raigs gamma i també d'energia cinètica de les partícules emeses. Aquesta gran quantitat d'energia permet a la matèria entrar en estat de plasma.

Dos nuclis d'hidrogen es fusionen per obtenir heli i energiaLes reaccions de fusió nuclear poden emetre o absorbir energia. Si els nuclis que es van a fusionar tenen menor massa que el ferro s'allibera energia. Per contra, si els nuclis atòmics que es fusionen són més pesats que el ferro la reacció nuclear absorbeix energia.

No confondre la fusió nuclear amb la fusió del nucli d'un reactor, que es refereix a la fusió del nucli del reactor d'una central nuclear a causa del sobreescalfament produït per la deficient refrigeració. Durant l'accident nuclear de Fukushima, en els mitjans de comunicació s'utilitzava aquesta expressió freqüentment.

Fusió nuclear a la natura

El Sol és un exemple d'energia nuclear de fusió nuclear que ens arriba a la Terra en forma de radiació electromagnèticaLes estrelles, inclòs el Sol, experimenten constantment reaccions de fusió nuclear. La llum i la calor que percebem del Sol és el resultat d'aquestes reaccions nuclears de fusió: nuclis d'hidrogen xoquen entre si, i es fusionen donant lloc a un nucli més pesat d'heli alliberant una enorme quantitat d'energia. L'energia alliberada arriba a la Terra en forma de radiació electromagnètica.

Les forces de gravetat a l'univers generen les condicions perfectes per a la fusió nuclear.

A les reaccions de fusió nuclear també se'ls anomena reaccions termonuclears causa de les altes temperatures que experimenten. A l'interior del Sol, la temperatura és propera als 15 milions de graus Celsius.

Requisits tècnics per a la fusió nuclear

Per efectuar les reaccions de fusió nuclear, s'han de complir els següents requisits:

  • Aconseguir una 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 pels electrons lliures i els àtoms altament ionitzats s'anomena plasma.
  • Cal el confinament per mantenir el plasma a temperatura elevada durant un mínim de temps.
  • Densitat del plasma suficient perquè els nuclis estiguin a prop els uns dels altres i puguin generar reaccions de fusió nuclear.

Confinament per a la fusió nuclear

Els confinaments convencionals que s'utilitzen en els reactors nuclears de fissió 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 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 explosiona 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.

Reaccions de fusió nuclear

Els elements atòmics utilitzats normalment en les reaccions fusió nuclear són l'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 
Fusionant un nucli de deuteri amb un nucli de triti, s'obté un nucli d'heli format per dos neutrons i dos protons, allibreant 1 neutró i 17,6 MeV d'energia.

D + D -> 3He + n + 3,2 MeV 
Fusionant dos nuclis de deuteri, s'obtenen un nucli d'heli format per dos protons i un neutró, alliberant 1 neutró i 3,2 MeV d'energia.

D + D -> T + p + 4,03 MeV 
Fusionant dos nuclis de deuteri, s'obté un nucli de triti, 1 protó i 4,03 MeV d'energia.

Perquè tinguin lloc aquestes reaccions s'ha de subministrar als nuclis l'energia cinètica necessària perquè s'aproximin els nuclis que es van a fusionar, vencent així les forces de repulsió electrostàtiques. Per a això es necessita escalfar el gas fins a temperatures molt elevades, com les que se suposa que tenen lloc al centre de les estrelles.

El requisit de qualsevol reactor de fusió nuclear és confinar aquest plasma amb la temperatura i densitat prou elevades i durant el temps just, per tal de permetre que ocorrin suficients reaccions de fusió nuclear, evitant que s'escapin les partícules, per obtenir un guany net d'energia. Aquest guany energètic depèn de l'energia necessària per escalfar i confinar el plasma, sigui menor que l'energia alliberada per les reaccions de fusió nuclear. En principi, per cada mil·ligram de deuteri-triti es poden obtenir 335 MJ.

Combustible utilitzat per a les reaccions de fusió nuclear

Per a les reaccions de fusió nuclear calen nuclis lleugers. Bàsicament s'utilitzen deuteri i triti, que són dos isòtops de l'hidrogen.

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. Això suposa que en l'aigua de mar hi ha una concentració de 34 grams de deuteri per metre cúbic d'aigua. El contingut energètic del deuteri és tan elevat que l'energia que es pot obtenir del deuteri d'un litre d'aigua de mar és equivalent a l'energia que es pot obtenir de 250 litres de petroli.

Per aquest motiu, tenint en compte, que tres quartes parts del Planeta estan cobertes per aigua, es considera la fusió nuclear com una font d'energia inesgotable.

L'altre element emprat en la fusió nuclear, el triti, és el isòtop inestable o radioactiu del àtom d'hidrogen. Està compost per un protó i dos neutrons i es desintegra per emissió beta amb relativa rapidesa. Tot i que el triti és escàs a la natura, es pot generar per reaccions de captura neutrònica amb els isòtops del liti. El liti és un material abundant en l'escorça terrestre i en l'aigua del mar.

Evolució històrica i projectes futurs sobre la fusió nuclear

Els orígens de la fusió nuclear es localitzen cap a l1929 quan Atkinson i Houtemans van plantejar la possibilitat d'obtenir energia de les reaccions de fusió nuclear. No obstant això, els conceptes més importants de fusió nuclear i la seva aplicació real, es van desenvolupar a partir de 1942 amb els treballs d'H Bethe, E. Fermi, R. Oppenheimer i E. Teller, entre d'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 va presentar els resultats de les seves investigacions, en la "2a Conferència de Plasma i Fusió Controlada", sobre el concepte Tokamak (Toroidal Kamera MAgnetiK).

Vista interior del JET TokamakEn el concepte Tokamak, el camp magnètic necessari per confinar el plasma és el resultat de la combinació d'un camp toroïdal, d'un camp poloïdal, ambdós creats per bobines toroïdals, 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, va informar de l'obtenció de temperatures d'ignició i de la producció de neutrons en les reaccions de fusió nuclear 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.

A la dècada dels 70 va començar a produir-se la primera sèrie de publicacions sobre FCI (Fusió nuclear per Confinament Inercial). Als EUA, els principals investigadors van ser 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 multitud d'instal·lacions amb làser que han permès avançades investigacions sobre la fusió nuclear. 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 alts guanys: National Ignition Facility (NIF) als EUA i Laser Megajoule (LMJ) a França.

Però el làser no és l'únic dispositiu capaç de produir implosions, també s'observa que electrons i feixos de ions lleugers i pesats són seriosos candidats a la fusió nuclear 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 pesats, 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.

A 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 deuteri (90%) i triti (10%) va aconseguir el 1991, una potència de 1,7 MW. Posteriorment, el 1993, el TFTR amb una barreja de deuteri i triti 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 nuclear 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 investigació experimental en FCM (Fusió nuclear per Confinament Magnètic) a Espanya ha estat concentrada al CIEMAT (Centre d'Investigacions Energètiques, Mediambientals i Tecnològiques), remuntant-se al 1983, any en què es posa en funcionament la primera màquina de fusió nuclear, 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 nuclear construït totalment a Espanya: el Stellerator TJ-I upgrade, que va ser cedit el 1999 a la Universitat de Kiel al entrar en operació el TJ-II.

El TJ-II va suposar un gran salt científic pel què fa als experiments anteriors considerant 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 confinament magnètic: l'ITER

El projecte més avançat en Fusió nuclear per Confinament Magnètic és l'ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), prototip basat en el concepte Tokamak, i en el qual s'espera aconseguir 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.

Imagen futurista del proyecto de investigación de la fusión nuclear ITER
Imatge futurista del projecte de recerca de la fusió nuclear ITER

L'objectiu és determinar la viabilitat tècnica i econòmica de la fusió nuclear per confinament magnètic per a la generació d' energia elèctrica, com a fase prèvia a la construcció d'una instal·lació de demostració comercial.

ITER és un projecte tecnològic la construcció s'estima necessitarà 10 anys i almenys 20 d'investigació. Entre les tecnologies utilitzades 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 provaran les solucions als problemes que necessiten ser resolts per fer viables els futurs reactors de fusió nuclear. 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·lat (França) s'ha de fer càrrec dels costos de preparació del terreny i de construcció de l'edifici.

Localització 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 a Darlington a prop de Toronto, Japó va presentar la seva candidatura a Rokkaishomura, França va oferir el seu centre nuclear de Cadarache i Espanya va proposar el seu emplaçament en 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 Empresarios Agrupados i SENER).

Després d'un complex procés d'avaluació tecnològica, a finals del 2003 la Comissió Europea va decidir presentar com a candidatura europea la francesa de Cadarache davant l'espanyola de Vandellòs.

Finalment la candidatura guanyadora va ser la del sud de França que és on s'està construint en l'actualitat.

Emplazamiento del ITER - fusión nuclear

Localització ITER - fusió nuclear

valoración: 3.6 - votos 9

Referències

Última revisió: 7 de maig de 2014