La fusió nuclear és el procés mitjançant el qual els nuclis atòmics es combinen per formar un nucli més pesat, alliberant una enorme quantitat denergia en el procés. Aquest és el procés que alimenta les estrelles, inclòs el nostre sol.
Per dur a terme la fusió nuclear controlada a la Terra, es requereixen condicions extremadament específiques a causa de les altes temperatures i densitats necessàries per superar la repulsió electrostàtica entre els nuclis.
Els requisits principals per aconseguir la fusió nuclear controlada són els següents:
-
Temperatura alta: Cal assolir una temperatura extremadament alta, típicament en el rang de centenars de milions de graus Celsius. A aquestes temperatures, els àtoms s'ionitzen formant un plasma calent.
-
Densitat i pressió adequades: El plasma ha d'estar confinat i comprimit per augmentar la probabilitat que els nuclis col·lisionin i es fusionin.
-
Temps de confinament perllongat: La fusió nuclear requereix un temps prou llarg perquè passi una quantitat significativa de reaccions de fusió.
-
Confinament magnètic o inercial: Hi ha dos enfocaments principals per confinar el plasma: el confinament magnètic i el confinament inercial. Al confinament magnètic, el plasma es manté suspès i contingut mitjançant camps magnètics. Al confinament inercial, el plasma es comprimeix mitjançant ones de xoc generades per làsers o partícules accelerades.
-
Combustible de fusió adequat: El combustible més comú per a la fusió nuclear és una barreja d'isòtops d'hidrogen, com ara el deuteri i el triti.
-
Absència de contaminants: Els materials que entren en contacte amb el plasma s'han de minimitzar, ja que podrien contaminar el procés de fusió i refredar el plasma.
Estratègies de confinament del plasma
Hi ha diverses estratègies de confinament utilitzades en els experiments de fusió nuclear per mantenir el plasma en condicions adequades perquè passi la fusió. A continuació, es presenten algunes de les dues principals estratègies:
Confinament magnètic
El tokamak i l'stellarator són dos tipus de dispositius experimentals utilitzats per investigar i aconseguir el confinament magnètic del plasma. Tots dos dispositius estan dissenyats per confinar i escalfar el plasma a les altes temperatures necessàries perquè passi la fusió nuclear.
El tokamak utilitza bobines magnètiques per generar un camp magnètic toroïdal que confina el plasma en un anell. El camp magnètic evita que el plasma s'escapi i es dispersi, mantenint-lo en un estat confinat i calent.
L'stellarator, a diferència del tokamak, utilitza bobines magnètiques més complexes per crear un camp magnètic tridimensional sense necessitat de corrents elèctrics al plasma. Això permet que el plasma es mantingui estable sense necessitat de corrents d'escalfament.
Confinament inercial
el confinament inercial s'enfoca a comprimir i escalfar el plasma de fusió mitjançant ones de xoc o compressió mecànica.
El principi bàsic del confinament inercial és sotmetre el combustible de fusió (generalment una barreja d'isòtops d'hidrogen, com deuteri i triti) a altes pressions i temperatures perquè els nuclis atòmics col·lisionin amb prou energia cinètica per superar la repulsió electrostàtica i fusionar-se.
Hi ha dos enfocaments principals per aconseguir el confinament inercial:
-
Fusió per compressió directa: En aquest enfocament, una petita càpsula de combustible de fusió es comprimeix ràpidament i de manera controlada mitjançant ones de xoc generades per feixos de làsers d'alta potència o partícules accelerades. La compressió del combustible augmenta la densitat i la temperatura del plasma al nucli de la càpsula, afavorint la fusió nuclear. Aquest concepte és conegut com a "fusió inercial per confinament per implosió".
-
Fusió per confinament magneto-inercial: Aquesta estratègia combina aspectes del confinament magnètic i l'inercial. Es fa servir un dispositiu que combina compressió inercial del plasma amb confinament magnètic per prolongar la vida útil del plasma i millorar l'eficiència de la fusió. Un exemple d'això és el concepte de "fusió magneto-inercial" (MIF), que busca aprofitar el millor dels dos enfocaments per aconseguir la fusió nuclear.
Reactors de recerca de la fusió nuclear
Els científics treballen amb reactors de recerca per poder trobar les fórmules per superar les limitacions tècniques que presenta la fusió nuclear.
Alguns dels reactors de recerca més destacats en el camp de la fusió nuclear són els següents:
ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor)
És un dels projectes més grans i ambiciosos al camp de la fusió nuclear. Està ubicat a Cadarache, França, i és una col·laboració internacional entre 35 països. ITER és un tokamak que té com a objectiu demostrar la viabilitat científica i tecnològica de la fusió nuclear com a font d'energia sostenible i sense emissions de carboni. S'espera que ITER arribi al punt d'"ignició", on l'energia alliberada per les reaccions de fusió supera l'energia necessària per escalfar i confinar el plasma.
JET (Joint European Torus)
Ubicat al Regne Unit, el JET és el tokamak més gran en funcionament i ha estat un pioner en la investigació de la fusió nuclear des de la seva posada en marxa el 1983. És una col·laboració entre la Unió Europea i altres països associats. El JET ha fet investigacions importants en confinament magnètic i escalfament del plasma.
EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak)
EAST està ubicat a la Xina i és un dels tokamaks més grans i avançats del món. Ha fet investigacions en superconductivitat i tecnologies d'escalfament del plasma.
Wendelstein 7-X
És un stellarator situat a Alemanya. Es diferencia d'altres stellarators pel disseny de camp magnètic optimitzat per millorar el confinament del plasma. Wendelstein 7-X és l'stellarator més gran i més avançat en funcionament i ha realitzat investigacions per millorar l'estabilitat del plasma i el confinament magnètic.
