Aspectos técnicos de la fusión nuclear

La Fusión Nuclear
Fuente: http://humano.ya.com/almanzor25/menteabierta/Intro.htm
Introducción
El sensacionalismo de los periódicos viene a recordarnos cada cierto
tiempo la aparición de un nuevo proyecto titánico para domesticar la fuente de
energía más poderosa del universo, la que alimenta al Sol y a las estrellas : la
fusión nuclear. En unos artículos se anuncia un nuevo paso dado por algún
grupo de científicos en una teoría y en otros se anuncia la inauguración de un
nuevo reactor por parte de EEUU, Rusia, Europa o Japón ; sin embargo los
físicos parecen topar una y otra vez contra algún problema.
Lo que en los años cincuenta parecía ser una investigación de unos 20 a
25 años, se ha vuelto algo tan sumamente complejo que poca gente confía en
que la fusión sea domada antes del 2020. El fuego de Prometeo todavía no ha
sido traído a la Tierra para emular a las estrellas, se trata de una carrera en la
que tras girar cada curva no se divisa la meta. De cualquier modo , y a pesar
de las ingentes cantidades de dinero invertidas, la investigación de las
reacciones termonucleares controladas (R.T.C.) está aún en una fase muy “
primitiva “ de desarrollo y no se ve todavía una salida viable, aunque hay
científicos que están absolutamente seguros de la existencia de la meta.
El carácter del núcleo atómico es tal que las partículas nucleares
individuales están fuertemente unidas formando elementos de número atómico
intermedio. Así que cuando se busca extraer energía, se centra la atención en
los elementos con bajas energías de enlace ; se libera energía disociando los
isótopos pesados (Fisión) y en ciertos casos se libera energía uniendo núcleos
ligeros (Fusión). Las reacciones de fusión liberan menos energía que las de
fisión pero los combustibles son mucho mas abundantes y fáciles de manejar.
La ecuación de Einstein relaciona la masa con la energíay constituye la base del estudio
de la fusión.
Una reacción de fusión es interesante cuando la energía necesaria para la
activación de la reacción y la necesaria para mantenerla es menor que la
energía que aporta la reacción cuando se ha consumido el combustible. Si
cumple esto, la reacción de fusión podrá considerarse como una fuente de
energía. Existen más de 30 reacciones de fusión posibles. Las mas interesantes
desde el punto de vista energético y de la factibilidad son las que abarcan a los
dos isótopos pesados del hidrógeno : el Deuterio ( 2D1 ) y el Tritio ( 3T1 ). Las
reacciones entre estos dos átomos tienen mayor probabilidad de llevarse a cabo
que las que veremos más adelante.
La fusión como fenómeno físico
La acepción “Fusión” tiene muchos significados, pero, técnicamente,
representa el apócope de “Fusión nuclear” o si hacemos referencia a las
altísimas temperaturas a las que tiene lugar podemos mencionarla como “fusión
termonuclear”. Estas palabras encierran algo más que una investigación, es
decir, describen la clase de reacciones que tienen lugar cuando dos núcleos de
átomos ligeros se unen para formar un núcleo más pesado. Este núcleo resulta
por lo general inestable y algunas veces explota (se fisiona) en dos o más
fragmentos.
Si se nos ocurre coger dos átomos y fusionarlos en un reactor apropiado
podremos notar que existe una diferencia másica entre los átomos iniciales y
los que hemos obtenido como productos de reacción ; además, y siguiendo la
archiconocida ecuación de Einstein, ( E=m·c2 ) podremos calcular qué cantidad
de energía nos ha producido ese defecto másico. Las reacciones de fusión que
incluyen núcleos más ligeros que el hierro, por lo general, liberan energía, pero
para Z > 26 es más frecuente que el balance de energía sea negativo. La
energía liberada en la fusión depende únicamente de la reacción que se lleva a
cabo (más adelante se acompaña una tabla).
Otra forma de tener en cuenta la energía de reacción es considerar la
energía de enlace de los elementos involucrados. Si los reactantes tienen
enlaces más débiles que los productos, entonces la reacción tiene lugar con una
liberación de energía. Sirva para explicar esto el siguiente ejemplo ;
supongamos que tenemos dos esferas unidas por un muelle largo, de tal
manera que no están muy fuertemente unidas y pueden ser separadas con
relativa facilidad, esto es un sistema con baja energía de enlace. En la fusión lo
que hacemos es sustituir ese muelle largo y fino por uno corto y grueso. Este
muelle mantiene a las esferas muy fuertemente unidas y les deja poca libertad
de movimiento, es decir para unir esas esferas se debe liberar energía y
permitir acoplar el muelle. En definitiva, sustituimos un muelle débil por uno
fuerte y además se libera energía.
Las condiciones necesarias para que se dé la fusión son tan extremas
que virtualmente toda la fusión natural ocurre en las estrellas, donde la altísima
presión comprime los gases hasta que la temperatura y la presión fuerzan la
compresión gravitacional. Si la masa de la estrella es lo suficientemente alta, las
temperaturas y presiones alcanzarán cotas , mientras la estrella se contrae, en
las que la fusión dará comienzo ; la energía liberada provocará que la estrella
comience a emitir radiación en un amplio rango del espectro electromagnético.
Se calcula que la masa mínima necesaria para inducir la fusión de esta manera
se encuentra alrededor de 1/10 de la masa solar.
La energía de las estrellas proviene de las reacciones de fusión que ocurren en su
núcleo.
La fusión estelar convierte gradualmente el hidrógeno en helio. Cuando a
una estrella se le agota el combustible pueden suceder dos cosas, en función
de la masa que tenga. Si la masa no es muy alta simplemente la estrella va
enfriándose lentamente, es decir, se convierte en una enana roja ; pero si la
masa es muy alta, la gravedad comprime el helio fuertemente y comienza a
fundirlo para formar elementos aún más pesados hasta que alcanzan el peso
atómico del hierro (a partir de éste las reacciones no desprenden energía). En
este momento está agotado todo el combustible estelar y la estrella se colapsa
como supernova. A la gravedad ya no se le opone la presión interna de los
gases de la fusión e implota el corazón de la estrella convirtiéndose en otros
objetos estelares como enanas blancas, estrellas de neutrones y , en casos muy
extremos, agujeros negros.
La pregunta ahora es : ¿Por qué no se produce la fusión en ningún otro
lugar? El conocimiento científico actual indica que no se dan prácticamente
reacciones de fusión nuclear, fuera del rango de las estrellas, en la naturaleza.
La razón es porque para que dos núcleos se fundan, primero debemos
acercarlos lo suficiente de tal manera que la fuerza fuerte (responsable de
mantener unido el núcleo) sea más potente que la fuerza de repulsión
electromagnética entre los dos núcleos positivamente cargados. Una vez los
núcleos están suficientemente cerca uno del otro, la fusión puede producirse
por dos causas: a) Que la energía de colisión de los núcleos sea
suficientemente alta para que se fundan ; b) Que puedan encontrar un “atajo”
de menor energía de activación que la fusión directa (Por ejemplo, fusión
“catalizada” por muones). La energía requerida por cualquiera de estos caminos
es tan alta que la fusión sólo ocurre en cantidades apreciables a temperaturas
de más de 10 millones de grados Kelvin (¡¡107 K!!) por ello la fusión ocurre en
el corazón de las estrellas y es extraordinariamente difícil de encontrarla en otro
lugar de la naturaleza.
La humanidad dispone desde hace años de la energía de fisión, pero la fusión sigue
resistiéndose.
Veamos ahora cuáles son las reacciones que , básicamente, pueden
darse en la fusión nuclear. En primer lugar parece lógico que actualmente la
ciencia esté intentando fundir dos núcleos de elementos ligeros, ya que cuanta
menos carga contenga un núcleo menos será su repulsión eléctrica de acuerdo
con la ley de Coulomb. Además debemos tener en cuenta que la probabilidad
de que dos átomos reaccionen es proporcional a la sección cruzada de cada
átomo. Sirva como ejemplo : La probabilidad de que un jugador de dardos
acierte en el centro de la diana es proporcional al tamaño de ese círculo.
A continuación se adjunta una tabla de algunas de las reacciones de
fusión que pueden utilizarse. La notación utilizada es :
D
»Deuterio
T
»Tritio
p
»protón
n
»neutrón
Además, después de cada reacción se adjunta la energía de cada especie en
MeV.
D+D
»
T(1.01MeV)
+ p (3.02MeV)
He3(0.82 MeV) + n (2.45 MeV)
D+T
»
He4(3.5 MeV)
+ n (14.1MeV)
D+He3
»
He4(3.6 MeV)
+ p (14.7MeV)
Esta es la reacción aneutrónica más elemental.
T+T
»
He4 + 2n
(11.3MeV)
He3+T
»
He4 + p + n (12.1MeV)
He4 + D (14.3 MeV)
He4 + n + p (14.3 MeV) Mediante He5
p+Li6
»
He4 + He3
(4MeV) Reacción aneutrónica
p+Li7
»
2 He4 (17.3 MeV)
Be7 + n (-1.6MeV) Reacción endotérmica, no interesa
n + Li6
»
He4 + T (4.8 MeV)
Interesante, pues convierte neutrones en tritio
De la lista recopilada destaca el que algunas reacciones liberan
neutrones, muchas liberan helio y que diferentes reacciones liberan diferentes
cantidades de energía (algunas incluso absorben energía). El He4 es un
elemento común como producto de estas reacciones, ya que el He4 es un
núcleo especialmente estable, así que se emplea mucha energía para su
formación. Una analogía de esto la tenemos en la combustión de gasolina, en la
cual se forman CO2 y H2O que son muy estables gracias a una liberación de
energía ; de cualquier manera las razones de la estabilidad del núcleo He4
requiere un nivel de física superior al que ahora estamos empleando.
Para que la fusión tenga lugar, las partículas deben poseer una energía
mínima para superar la repulsión debida a la fuerza de Coulomb (“Barrera de
Coulomb”). Es por eso que para unas condiciones determinadas, unas
reacciones tienen lugar en mayor medida que otras.
Para que la fusión tenga lugar, las partículas deben poseer una energía mínima para
superar la repulsión debida a la fuerza de Coulomb (“Barrera de Coulomb”). Es por eso que
para unas condiciones determinadas, unas reacciones tienen lugar en mayor medida que otras.
Conozcamos algo más sobre los elementos implicados en estas
reacciones, que serían los que harían viable la fusión nuclear.
 Hidrógeno (p) :Se trata del
isótopo del hidrógeno más ligero,
compuesto por tan solo un protón ;forma el 99.98% del hidrógeno natural
 Deuterio (D) : Se trata de un isótopo pesado del hidrógeno ,
compuesto por un protón y un neutrón. Su abundancia en la naturaleza es del
0.02% del hidrógeno, es decir de cada 5000 átomos de hidrógeno natural
encontramos uno de deuterio. Se obtiene mediante técnicas muy precisas de
destilación fraccionada del aire.
 Tritio (T) : El tritio es otro isótopo del hidrógeno, con un protón y dos
neutrones. El tritio es inestable (radioactivo), y decae a He3 con una vida media
de 12.3 años. Debido a esta vida media tan corta resulta muy difícil encontrarlo
en la naturaleza y el poco que puede encontrarse (las reservas terrestres se
estiman en un par de kilos) se forma debido a los rayos cósmicos.
Artificialmente puede obtenerse por diversos métodos, pero el usado en la
actualidad aprovecha los reactores de fisión para su obtención.
 Helio3 (He3) : Isótopo ligero del helio muy raro de encontrar, tiene dos
protones y un neutrón, pero resulta estable. Su abundancia respecto al He4 es
del 0.0013%. Se encuentra en mayor proporción en la superficie lunar debido al
bombardeo de las partículas del viento solar y entre los restos de la
desintegración radioactiva del tritio.
 Helio4 (He4) : Isótopo común del helio. En la atmósfera se encuentra
con una concentración inferior a 1ppm, por ello se aprovecha el que se extrae
de los pozos junto con el gas natural.
 Litio6 (Li6) : Isótopo poco común del litio (3 protones y 3 neutrones).
Su abundancia es del 8% respecto al Li7. Es muy reactivo químicamente, por
ello se encuentra en forma de sales en el mar y en ciertos minerales.
 Litio7 (Li7) : Isótopo común del litio, compuesto por 3 protones y 4
neutrones.
Ya hemos adelantado que las reacciones que se estudian actualmente son
aquellas que implican el choque de dos núcleos ligeros, pero la reacción que
parece ser óptima para la fusión es la que se da entre deuterio y tritio.
Básicamente hablando podemos decir que los neutrones que tienen de más los
convierte en núcleos más grandes y con menos energía de enlace, el resultado
es que la sección transversal de esta reacción es el más grande. Por otro lado
por ser isótopos del hidrógeno tienen solo un protón en el núcleo su repulsión
electromagnética es mínima. Además la energía obtenida como resultado de
esta fusión es muy alta.
De cualquier modo, la reacción D + T tiene un gran inconveniente y es
que libera un neutrón muy enérgico. Este neutrón es difícil de atrapar, pues no
siente atracción eléctrica hacia ninguna cosa y en caso de que se una a un
núcleo lo convertirá en radioactivo o causará nuevas reacciones. Este neutrón
es, de hecho, un gran problema en el ciclo del combustible de deuterio y tritio.
Otra dificultad que encontramos en esta reacción es que , como ya he citado, el
tritio es un elemento raro de encontrar y hay que obtenerlo artificialmente.
Afortunadamente “Dios aprieta pero no ahoga” y podemos matar los dos
pájaros de un tiro resolviendo ambos problemas, el del neutrón y el del
abastecimiento de tritio utilizando los neutrones generados en la fusión
mediante :
n + Li6

He4 + T + 4.8 MeV
Esta reacción absorbería el neutrón y generaría un átomo de tritio, de tal
manera que seríamos capaces de cerrar el ciclo de combustible de D-Li6, con n
y T como intermediarios. Asimismo existe mucho más litio disuelto en el océano
que T.
La reacción más favorable para aprovecharla energía de fusión parece ser entre eldeuterio y el
tritio
Sin embargo no todos los neutrones son factibles de ser aprovechados
y muchos quedan atrapados en las piezas del reactor convirtiéndolas así en
ligeramente radioactivas. Este pequeño inconveniente aún está por subsanar,
aunque ya se conocen algunas alternativas posibles que ahora trataremos.
Algunos investigadores han resuelto el problema de los neutrones mediante
unas reacciones llamadas aneutrónicas. El término aneutrónicas quiere decir
que son reacciones en las que no se forman neutrones como productos de
reacción. A continuación se adjuntan alguno ejemplos :
D + He3

He4 + p + 18.1 MeV
p + Li6

He4 + He3 + 4 MeV
D + Li6

2 He4 + 22.4 MeV
p + B11

3 He4 + 8.7 MeV
En ninguna de estas reacciones se producen neutrones directamente, de aquí
que se les llame reacciones aneutrónicas.
Aspectos técnicos de la fusión nuclear
En este apartado vamos a intentar explicar qué problemas tecnológicos
tiene la fusión y cómo pueden resolverse. Además vamos a ver algunos
aspectos técnicos de un reactor de fusión.
Para el funcionamiento básico de una central eléctrica de fusión hace
falta un reactor de fusión para extraer la energía del combustible, un generador
de corriente eléctrica para transformar la energía de fusión en electricidad y
además falta un sistema que transmita el calor de la fusión hasta el generador.
Los detalles que trascienden más allá de este esquema básico dependen del
tipo de confinamiento del plasma, el combustible elegido y el sistema de
transmisión de la energía de fusión.
El método de confinamiento determina la base de funcionamiento del
reactor y condiciona otros aspectos como son la elección del combustible y
capacidad del reactor. Más adelante veremos qué métodos de confinamiento se
proponen hoy en día, aunque de todos modos el confinamiento magnético y el
combustible D-T parece la vía con más futuro.
Respecto al combustible, parece ser que los primeros reactores de fusión
(en el caso de que lleguen a ser) trabajarán con combustibles de D-T, ya que
los neutrones emergentes de esta reacción se harán reaccionar con una
envoltura de litio, de tal manera que no haga falta un gran aporte de tritio
desde el exterior de la central. Las investigaciones actuales han dado, no
obstante, con combustibles avanzados como son los de D-D , D-He3 y p-B11,
los cuales requieren confinamientos mejores y temperaturas muy superiores,
por lo que parece que en principio no serían usados. Respecto a la abundancia
de los combustibles se discutirá más adelante.
Por lo general se espera que una planta de fusión nuclear suministre la
energía en forma de corriente eléctrica. De cualquier manera el problema es
cómo recoger la energía de la fusión. Un método sería almacenarla
químicamente, por ejemplo utilizar el calor para extraer el hidrógeno del agua y
utilizar éste como combustible ; sin embargo el método más sencillo es calentar
agua hasta que hierva, entonces pasarla por una turbina de vapor. Actualmente
existen muchas más alternativas, como son el utilizar turbinas especiales con
una eficiencia superior al 50% o incluso intentar una conversión directa con
métodos magnetohidrodinámicos (para la conversión directa resulta más eficaz
el uso de combustibles aneutrónicos).
Pero todavía nos queda por preguntarnos qué aspecto tendría un reactor
de fusión. Vamos a imaginarnos un reactor que utilice un combustible de D-T.
En primer lugar tendríamos una cámara de vacío, que sería el lugar donde
estaría el plasma y donde tendrían lugar las reacciones ; después encontramos
la “primera pared”, que mantiene la integridad del vacío mientras permite el
paso de los neutrones procedentes de la reacción D-T. Esta primera pared
necesita resistir el bombardeo de partículas del plasma y resistir las altas
tensiones y temperaturas que tienen lugar cuando el plasma pierde el
confinamiento y choca contra la pared.
Mas allá de esta primera pared habrá una envoltura de litio con
capacidad para absorber neutrones y devolver moléculas de tritio. Alrededor de
esta envoltura tendríamos el sistema de extracción de calor. El sistema utilizado
para generar la fusión en la cámara de vacío ( rayos láseres o de partículas
para fusión inercial o catalizada por muones, bobinas electromagnéticas para
fusión magnética,…) también estaría en la parte exterior de la envoltura de litio.
Por último sería necesario tener un escudo exterior para evitar el escape de
cualquier tipo de radiación.
Las primeras paredes que se usan en los reactores experimentales están
hechas principalmente de aceros inoxidables, aunque parece ser que no resulta
el mejor material y por ello se están haciendo otros con aleaciones de vanadio.
Estas aleaciones avanzadas están dando buenos resultados en las pruebas de
resistencia a tensiones, temperaturas y bombardeo de neutrones (ya que no se
vuelven radioactivos y en caso de hacerlo tienen períodos de semivida muy
cortos).
Aspecto exterior de un reactor de fusión, en este caso el Asdex alemán.
Llegamos ahora a la parte de la fusión que más asombra al público en
general, se trata de las altísimas temperaturas necesarias. Ya hemos explicado
el por qué de esas temperaturas, ahora las veremos desde otro punto de vista.
En un reactor de fusión parte de la energía generada serviría para
mantener la temperatura del plasma a medida que se introduce nuevo
combustible ; no obstante para encender el reactor tras una parada hay que
calentar el plasma hasta los 100 millones de grados centígrados (en estos
rangos de temperatura los grados Kelvin se consideran equivalentes a los
Celsius) . En los reactores experimentales actuales no se produce energía
suficiente para mantener la temperatura del plasma, ya que no se producen
suficientes fusiones por unidad de tiempo. Consecuentemente el reactor debe
detenerse cada cierto tiempo obteniendo una operación en forma de pulsos
cortos y el plasma debe ser calentado tras cada pulso, con lo que el balance de
energía total resulta negativo (es decir, la fusión todavía no es una fuente de
energía).
El plasma es el cuarto estado de la materia y consiste en un gas ionizado.
Existen diferentes métodos para calentar el plasma, estas son :
a) a) a) Calentamiento óhmico :
Como el plasma es un conductor eléctrico(por estar constituido de
iones)es posible calentarlo haciendo pasar una corriente eléctrica por él, de
hecho la corriente que genera el campo magnético poloidal también calienta el
plasma. Este calentamiento se llama óhmico, pues viene regido por la ley de
Ohm y la de Joule. El calor generado depende de la resistencia del plasma y de
la intensidad de la corriente, pero mientras la temperatura sube, la resistencia
baja y el calentamiento resulta, en consecuencia, menos efectivo. Parece ser
que la temperatura máxima alcanzable así en un tokamak ronda los 20 o 30
millones de grados ; para obtener temperaturas superiores hay que utilizar
otros métodos de calentamiento.
b) b) b) Inyección de rayos neutros :
Este tipo de calentamiento incluye la introducción de átomos de
alta energía en el plasma calentado óhmicamente y confinado magnéticamente.
Los átomos son ionizados inmediatamente y atrapados en un campo magnético.
Estos átomos calientan el plasma mediante los repetidos choques producidos en
el reactor.
c) c) c) Compresión magnética :
Un gas puede ser calentado por sucesivas compresiones, del
mismo modo que el bombín se calienta al hinchar una rueda. Así, el plasma es
comprimido rápidamente mediante un aumento de la intensidad del campo
magnético, esto logra que las partículas de plasma queden
muy juntas
aumentando así los choques que calientan el plasma. Además este método
tiene otra ventaja, y es que a la vez que calentamos estamos comprimiendo el
gas y aumentando su densidad.
d) d) d) Calentamiento por microondas :
En un calentamiento por microondas, unos osciladores exteriores
al toroide generan ondas de alta frecuencia que son absorbidas por el plasma
(deben tener una longitud de onda específica) haciendo que aumente la
temperatura y la frecuencia de colisión entre las partículas.
e) e) e) Compresión inercial :
Este método es similar al de compresión magnética, en el cual la
disminución de volumen causa el calentamiento del plasma, pero en este caso
lo que se usa es un rayo láser o un rayo de iones para calentar la parte exterior
de un pellet. Al vaporizarse produce un aumento de presión que acelera al
plasma y la inercia de los átomos de la implosión en el pellet permite al plasma
ser calentado y comprimido durante un tiempo muy corto.
Calentamiento inercial mediante láser.
Método de
confinamiento
Gravedad
Mecanismo de calentamiento
Compresión (gravedad)
Ejemplo
La que se da en el
corazón de las estrellas
Reacciones de fusión ( p-p)
Compresión (implosión provocada
por rayos láser o de iones)
Reacciones de fusión (D+T)
Reactores de fusión
Compresion Inercial
Ondas electromagnéticas
inducida mediante láser
Calentamiento óhmico
Rayos de partículas neutras
Compresión por campos magnéticos
Magnético
Reactores tipo tokamak
Reacciones de fusión (D+T)
El gráfico da una idea de la temperatura y densidad de partículas en diferentes fenómenos
naturales (en los que intervienen iones), así como las requeridas en reactores de confinamiento
magnético y confinamientoinercial. Resulta evidente lo complicado que es producir la fusión
artificialmente encondiciones controladas.
Mucha gente se ha preguntado si realmente existe suficiente cantidad de
materiales especiales en la Tierra para poder mantener una civilización basada
en la energía de fusión, veamos algunos de estos aspectos. Primero debemos
dejar claros dos conceptos :
 Reserva = cantidad de una sustancia, conocida, que sabemos que
podemos extraer con la tecnología actual y a precios competitivos.
 Recurso = Cantidad de sustancia presente en la Tierra y que podría ser
extraída.
En general, las reservas de los materiales de fusión son suficientes para las
necesidades actuales y los recursos suficientes para las necesidades de los
próximos varios millones de años.
- Combustible : El deuterio es muy abundante, el tritio es muy escaso, pero
puede obtenerse mediante el litio de la envoltura.
- Envoltura de litio : El litio es muy abundante en el agua marina y en la
corteza. Las reservas actuales en la corteza son de 21.1 millones de toneladas,
suficientes para muchos reactores. El litio disuelto en el océano parece ser
suficiente para cubrir las necesidades de varios miles de millones de reactores.
- Estructura del reactor : El carburo de silicio (SiC) y el vanadio o las aleaciones
de vanadio titanio son los principales candidatos para la fabricación de
estructuras. El carbón se encuentra, como el silicio, casi en cualquier sitio. Las
reservas de vanadio son de 4,27 millones de toneladas, pero además se
encuentra como componente minoritario en minas de otros minerales, así que
el recurso total es significativamente más grande. Las reservas de titanio son de
288.6 millones de toneladas. Estos datos (sobre todo los de vanadio) pueden
no parecer alentadores, pero hay que considerar que el vanadio de un reactor
puede reciclarse para la fabricación de otro reactor nuevo, es decir, estas cifras
no deben preocuparnos.
- Materiales para los electroimanes : Todavía no se conoce con certeza de qué
materiales podría tratarse, ya que la tecnología de los superconductores está en
fase de desarrollo. Otro problema es que la radiación emergente del reactor
saque a los metales de su superconductividad. Sin embargo podemos asegurar
que el material de los electroimanes no es problema, pues estos no se
consumen durante la fusión.
Pero ¿Qué tamaño tendrá un reactor de fusión ?. La respuesta no es fácil, pues
depende claramente de la evolución económica, sin embargo las tendencias
actuales apuntan hacia la economía de escala, es decir al desarrollo de grandes
centrales de fusión. Algunos expertos han propuesto que la potencia mínima de
una central competitiva deberá ser de 3000 Mw de energía de fusión, es decir
unos 1500 Mw de corriente eléctrica. De cualquier modo los progresos físicos
pueden lograr que el precio de una central de fusión se rebaje mediante el uso
de otros materiales no probados hasta la actualidad.
Todo lo que hemos ido apuntando hasta ahora es que en algunos sitios ya se
ha conseguido la fusión nuclear, pero sin embargo no se ha podido mantener el
tiempo suficiente. ¿Cuánto tiempo habría que mantenerlo caliente ? Esta no es
una pregunta fácil de responder, ya que hay tres parámetros vitales y sólo nos
vale que el producto de los tres sea lo más alto posible.
 En primer lugar tenemos la temperatura del plasma (T)
 En segundo lugar la densidad, medida como el número de núcleos por
unidad de volumen de plasma.
 Por último encontramos el tiempo de confinamiento ().
Como resulta complicado hacer gráficas tridimensionales, utilizamos el pequeño
truco de unificar el producto de  x T y llamarlo parámetro de confinamiento. Al
producto de este parámetro por la temperatura se le llama producto de fusión.
El producto de fusión tiene que ser al menos de 1 atm/seg para alcanzar el
equilibrio energético, es decir la energía consumida es igual a la desprendida,
punto que se llama breakeven. Pero llegar hasta aquí no es el último objetivo,
sino que se pretende llegar hasta el punto de ignición (8 atm/seg) para que
realmente la fusión sea una fuente de energía.
Prototipos y proyectos de reactores
Como ya han ido apareciendo a lo largo de las páginas anteriores,
podemos intuir que existen dos tipos fundamentales de reactores, en función
del método de confinamiento que usen :
 ·
- Reactores de confinamiento electromagnético
 ·
- Reactores de compresión inercial
 ·
- Otros tipos
A continuación vamos desarrollar cada uno de estos tipos de reactores.
Reactores de confinamiento magnético
Como ya hemos dicho, un plasma está formado por dos tipos de
partículas, iones (positivos) y electrones (negativos), de su naturaleza eléctrica
podemos pensar que se verá afectado por un campo magnético, este es el
fundamento de este tipo de reactores. En un campo magnético las partículas se
mueven en espiral siguiendo las líneas de campo y difícilmente salen de ellas.
Los reactores más prometedores en este campo son los de forma toroidal, y de
estos los más avanzados y prometedores son los tokamaks. El JET es el
tokamak más grande construido hasta la actualidad.
En un tokamak el plasma es calentado en un recinto toroidal y se
mantiene aprisionado lejos de las paredes mediante un potentísimo campo
magnético. Los componentes básicos del sistema de confinamiento son :
 El campo toroidal producido por bobinas a lo largo del toroide.
 El campo poloidal cierra el campo por los extremos.
 Electroimanes que inducen una corriente en el plasma.
La posición de estas bobinas se ve mejor en el siguiente diagrama :
Vamos a ver el porqué de cada electroimán. Imaginemos un campo
magnético de simetría cilíndrica, en él las partículas cargadas siguen
trayectorias helicoidales alrededor de las líneas de campo. El “truco” del
tokamak consiste en encerrar esas líneas sobre sí mismas y darles forma de
toroide, de tal manera que las partículas se encuentran atrapadas el
trayectorias helicoidales dando vueltas al toro, evitando el contacto con las
paredes del recinto. Sin embargo las partículas pueden sufrir un movimiento de
deriva vertical topando con la parte superior o inferior del toro, para evitarlo se
instalan otras bobinas llamadas “poloidales” y al campo magnético resultante se
le llama helicoidal.
Aspecto interior de un tokamak, el TFTR (USA). Se observan claramente tanto la forma
toroidal como la perfecta disposición de los baldosines.
JET
Como ya hemos citado antes el JET (Joint European Torus) es el tokamak más
grande construido hasta la actualidad y es puntero tanto en tecnología como en
resultados obtenidos. A continuación se incluyen algunos datos del JET.
A principios de los años 70 y como consecuencia de una serie de
prototipos en miniatura, una serie de países europeos decidieron unirse para la
fabricación de un tokamak mayor, para unirse a las grandes superpotencias en
cuanto a la investigación de nuevas tecnologías. En 1973 el acuerdo fue
firmado y un año después comenzaba la elaboración del proyecto en el Reino
Unido. En 1975 el diseño fue aceptado por todos los países miembros y en
Octubre de 1977 el Congreso de Ministros acordó que se construyera en la
ciudad de Culham, cerca de Oxford. En 1978 fue establecido el comité que
investigaría en el JET y que se encargaría de su construcción. En 1983, el JET
dejaba de ser un proyecto para pasar a ser una realidad.
El JET es un tokamak de aproximadamente 15 metros de diámetro y 12
metros de altura. En el corazón de la máquina hay una cámara de vacío de
radio exterior 2.96 metros con una sección en forma de D de 2.5 por 4.2
metros. Como en todos los tokamaks un complejo sistema de bobinas previene
que el plasma entre en contacto con las paredes, ya que esto desestabilizaría el
plasma y habría que detener el reactor. En el JET, el campo toroidal lo
proporcionan 32 bobinas exteriores (que proporcionan un campo de 3.5 Teslas)
a la cámara de vacío y el plasma es calentado por una corriente de unos siete
millones de amperios en pulsos de 30segundos. Este método de calentamiento
alcanza, rutinariamente, temperaturas de 40-50 millones de grados ; pero si se
combina con pulsos de hidrógeno o deuterio o incluso con radiofrecuencias
(como se está haciendo ahora) , se pueden alcanzar temperaturas muy
superiores ; de hecho ya se han superado los 300 millones de grados
centígrados.
Aspecto interior del JET. Se ve que es considerablemente mayor que la foto anteriormente
mostrada de otro tokamak. Se pueden apreciar los“desviadores” (divertors) experimentales en
la parte inferior, que evitan la temprana desestabilización del plasma por aparición de
impurezas . Otro detalle más es que el operador que está dentro lleva un traje especial, esto es
debido a que el reactor ha sido usado con combustible neutrónico y las paredes pueden emitir
una pequeña radiación residual.
El 9 de Noviembre de 1991 el JET generó una corriente de 1.7MW
durante dos segundos, gracias a una alimentación del 11% de tritio y usando
dos de los 16 inyectores de partículas de los que dispone. Esta fue la primera
energía de fusión obtenida en 40 años de investigación. Los parámetros de esta
prueba fueron :
 Corriente del plasma : 3.1 MA
 Campo magnético toroidal : 2.8 T
 Potencia de los inyectores de partículas : 14.3 MW
 Temperatura de los iones : 200 millones de grados centígrados
 Densidad del plasma : 2-4x1019 m-3
 Tiempo de confinamiento : 0.9 seg
 Producto de fusión : 4x1021 m-3*seg*MºC
 Tasa máxima de emisión de neutrones : 6x1017 s-1
Veamos algunas de las cosas que ha conseguido el JET durante el año
pasado (1997) :
 Tres récords mundiales : - 21MJ de energía de fusión
- 16 MW de potencia de fusión
- Obtención del 65% de la energía aportada
 El JET ha demostrado que usando combustible de D+T, se reduce en
un 25% la energía necesaria para confinar el plasma.
 Ha probado la primera planta a gran escala de obtención de tritio.
 Y, lo que es más importante, proporciona un camino de investigación
que será ampliado por los resultados que dé el ITER (a continuación se explica)
cuando esté en funcionamiento.
Termofotografía del plasma del JET a unos100 millones de grados centígrados. El color real de
la toma era rosado. Se aprecia la forma toroidal del plasma así como la mayor temperatura
alcanzada en la parte baja del toro.
Resultados de energía de fusión logradospor el JET en 1997, destaca la superioridad frente al
reactor TFTR norteamericano.
ITER
El problema que aparece en los reactores de fusión es que el producto
de fusión no alcanza valores suficientes, ya que el plasma se desestabiliza
debido a la introducción de impurezas procedentes de las paredes del reactor.
Este problema se está tratando de resolver en el ITER (International
Thermonuclear Experimental Reactor), que es un proyecto multinacional
diseñado con la idea de sustituir al JET.
El ITER (El proyecto original pertenecía a la Comunidad Europea y se
llamaba NET (Next European Torus), pero los altísimos costes y la petición de
otras superpotencias forzaron el desarrollo del proyecto en común) es el
proyecto de un tokamak en el que participan la Comunidad Europea, Japón,
EEUU y Rusia. Este tokamak es casi el doble de grande que el JET, tiene un
radio interior de 6 metros (3m para el JET), una corriente de plasma de 22MA
(7 para el JET) y su potencia de fusión es de 1 GW (10 esperados para el JET).
Su precio ronda los 5.000 millones de dólares y su puesta en marcha será el
2005.
La principal novedad que incluye el ITER es un “desviador” (del inglés
“divertor”) cuyo diseño costó dos años de trabajo y muchísimas rectificaciones.
Esencialmente este desviador es un aparato que consiste en cuatro grandes
bobinas dispuestas tras los baldosines que forman la parte exterior de la
cámara de vacío. Las bobinas del desviador provocan un campo magnético que
anula al del toro en los baldosines de carbono o berilio, cuando un ión del
plasma que atraviesa la última línea de campo antes del baldosín y choca con
éste crea un átomo de impureza que, por la disposición de las líneas de campo,
es atraído hacia el desviador y extraído por una “criobomba”.
Compresión inercial
La compresión inercial de un objetivo puede realizarse por dos métodos, por
láser o mediante un haz de iones.
En la fusión por láser, tenemos una esfera de combustible y es
sometida a “impactos” de luz que la hacen implosionar, de tal manera que
durante una diezmilésima de segundo se alcanza la temperatura suficiente para
que se dé la fusión. Las velocidades de implosión que se alcanzan son de hasta
107 cm/s (500 km/seg). Ni que decir tiene que los láseres usados son
verdaderos monstruos, siendo el mayor de ellos el Nova, utilizado en el
Lawrence Livermore National Laboratory, en California, cuya potencia nominal
de 3x1014 W. En segundo lugar tenemos a un láser Japonés, el Gekko XII de la
Universidad de Osaka (180 TW).
Las investigaciones en este campo conducen , irremediablemente, a la
fabricación de láseres más potentes, de hecho en 1998 va a comenzar a entrar
en funcionamiento una versión mejorada del Nova, llamada Nova Upgrade. Las
mejoras que se pueden introducir en el blanco, no son pocas, ya que éste es
una esfera, llamada hohlraum que convierte los rayos láser el rayos X. Los
distintos tipos de blanco proporcionan tasas de conversión diferentes.
Los países punteros en este campo son EEUU y Japón, ya que Europa
no tiene ninguna línea de investigación en este campo.
En lo que respecta a la fusión por haz iónico, las partículas son
aceleradas y lanzadas contra un objetivo al que, literalmente, comprimen hasta
que alcanza el punto de fusión. El haz de iones está caracterizado por tres
parámetros :
 Naturaleza de los iones
 Energía cinética (medida en MeV)
 Intensidad del haz
Hoy en día sólo hay una máquina capaz de suminstrar los intensos haces
de iones para producir la fusión, es el PBFA II (Particle Beam Fusion
Accelerator) de los Laboratorios Sandia National, cerca de Albuquerque (Nuevo
Méjico, EEUU). Este acelerador investiga con haces de Li+ , aunque en la
actualidad el CERN también parece interesado en este campo.
Sea como sea, la fusión mediante haces iónicos parece una buena
alternativa a la fusión por confinamiento magnético, aunque las investigaciones
están todavía en un estado muy primitivo.
Fusión por pinzamiento
Existen otros tipos de reactores distintos a los que se han planteado hasta aquí,
como puede ser la fusión por pinzamiento.
Desde el siglo XIX se sabe que dos corrientes opuestas y paralelas
tienden a acercar los conductores por los que circulan. Esta fuerza es
aprovechada para forzar la fusión. El montaje para forzar la fusión por
pinzamiento consiste en formar una columna de plasma y provocar una caída
de potencial brusca entre dos electrodos situados en ambos extremos de la
columna, esto provoca :
 Que se forme el plasma
 Calienta el plasma por efecto Joule
 Confina el plasma a lo largo del eje vertical, por estricción.
Para ello, la corriente tiene que ser de, al menos, 10 millones de amperios, cosa
difícil de lograr, pero no imposible.
Sin embargo el método parecía esperanzador, hasta que se vio que este
conjunto era altamente inestable y las diferentes contracciones en el plasma
enseguida lo contaminaban con átomos de las paredes del recinto, en apenas
unos microsegundos. Así se intentaron diferentes métodos para estabilizarlo,
cada vez más complejos hasta llegar a la sofisticación de los tokamaks.
La aparición en los años 80 de nuevos generadores de potencia provocó
un retorno a la estricción, mejorando algunos aspectos. Se consiguieron fibras
de deuterio del espesor de un cabello que se sometieron hasta 640 kA en 130
nseg.
Aunque actualmente la fusión por pinzamiento no da muchas esperanzas
(pero tampoco las quita), su investigación ha quedado un poco abandonada, ya
que los reactores tokamaks dan mejores resultados que los Theta Pinch (de la
expresion Z-Pinch).
Proyectos Españoles
El CIEMAT, Centro Español de Investigaciones Energéticas y Tecnológicas, es el
encargado de la investigación española de la fusión.
España participa (como es lógico) en todos los proyectos en los que
está la UE, pero además tiene 3 proyectos compartidos con otros países. El más
importante de ellos es el Heliac Flexible TJII, que es resultado de los cálculos
realizados por un equipo de físicos e ingenieros del CIEMAT en colaboración
con el laboratorio ORLN de Oak-Ridge (EEUU) y IPP de Garching (Alemania). El
proyecto TJII recibió apoyo preferencial de EURATOM en 1986 en fase I
(investigación física) y en fase II (desarrollo ingenieril) en 1990. La construcción
de este Heliac flexible se está realizando por partes y ha sido adjudicada a
varias empresas europeas (El 60% españolas).
En el TJII la trampa magnética se obtiene mediante varios conjuntos
de bobinas que configuran totalmente las superficies magnéticas antes de
generar el plasma. El campo toroidal se configura con 32 bobinas. El giro
tridimensional del eje central de la configuración se genera mediante dos
bobinas centrales : una circular y otra helicoidal. La posición del plasma
horizontalmente se controla con las bobinas de campo vertical. La acción
conjunta de estos campos magnéticos genera superficies magnéticas con forma
de “judía” que guían las partículas del plasma para que no choquen con las
paredes de la cámara de vacío. Para calentar el plasma del TJII está prevista la
utilización de sistemas de calentamiento : microondas a la frecuencia
ciclotrónica de los electrones e inyección de haces de átomos neutros de
hidrógeno. La duración de las descargas en TJII serán de 0.5seg cada 5
minutos. Los sistemas de control y de adquisición de datos han sido diseñados
y desarrollados por el CIEMAT. La finalidad del programa experimental del TJII
es profundizar en la física de un dispositivo con eje magnético helicoidal y con
gran flexibilidad en las configuraciones magnéticas. Se abordarán problemas de
la física de plasmas magnéticamente confinados de gran interés para la
comunidad de fusión.
Diseño preliminar del Heliac Flexible TJII español.
La Fusión Fría
El 23 de Marzo de 1989, Martin Fleischmann y Stanley Pons,
investigadores de la Universida de Utah y la Universidad de South
respectivamente, convocaron una rueda de prensa para anunciar su
descubrimiento de la fusión en condiciones ambientales. Su intención era
provocar la fusión del deuterio mediante la electrólisis del agua pesada, usando
un cátodo de paladio (metal con gran afinidad por el hidrógeno).
La comunidad científica se vio sorprendida por esta técnica y el curioso
sistema de darla a conocer, saltándose las reglas habituales, ya que lo
comunicaron como una primicia de la prensa sensacionalista, (práctica nada
usual en grandes descubrimientos). Cuando se dieron detalles de la práctica,
hombres de ciencia de todo el mundo, comenzaron a poner pegas a esta
experiencia hasta que la tiraron por tierra.
En primer lugar las mediciones de desprendimientos de calor fueron
erróneas debido a la aparición de corrientes parásitas. La detección de rayos
gamma, la producción de helio y de tritio son otros índices que , demostrado
está, se midieron de forma errónea. Respecto al desprendimiento de neutrones,
pruebas posteriores no han evidenciado su existencia. De cualquier modo
existen laboratorios por todo el mundo que dicen haber reproducido estas
experiencias, la cuestión actual es ver por qué aparecen resultados dispares, la
causa de esto podría ser la irrepetibilidad de ciertos parámetros incontrolados,
como la cantidad de impurezas en el cátodo de paladio, etc…
Riesgos medioambientales de la energía de
fusión
Existen muchas asociaciones expectantes de obtener una energía “inagotable” y
cuyo impacto ambiental sea mínimo.
La fusión, al igual que la fisión, no produce gases que puedan provocar
el temido efecto invernadero, ni el smog fotoquímico, ni siquiera la lluvia ácida.
La mayor fuente de contaminación del aire sería, en todo caso, el
desprendimiento de helio, que resulta totalmente inerte y ya se encuentra en
cantidades apreciables en nuestra atmósfera (aunque por ser tan ligero se
pierde, irremediablemente, en el espacio exterior continuamente). La fusión no
es una energía de tipo químico, de tal manera que no produce subproductos
químicos que puedan tener efectos no deseados.
La fusión consume menos masa de combustible por unidad de energía
producida que cualquier otra fuente de energía basada en algún tipo de
combustible. Además existe más combustible para la fusión que para cualquier
otra fuente de energía. De esta manera se convierte la fusión en la fuente de
energía más prometedora y con implicaciones medioambientales mínimas o
nulas.
El combustible de la fusión está muy diseminado por todo lo ancho del
mundo, ya que se halla disuelto en los océanos. Esto evitaría guerras y disputas
como , por ejemplo, la del Golfo Pérsico por el acceso a los combustibles. Esto
redunda en beneficios para la sociedad y el medio ambiente.
La explotación de la energía de fusión no requiere herir el terreno fértil,
como hacen las minas de carbón, preocuparse por derramamientos de aceites,
como en el caso del petróleo, o dedicar cientos y cientos de hectáreas para
centrales eólicas, solares, mareomotrices, geotérmicas, etc… La fusión es la
fuente de energía que menos recursos consume para producir más cantidad de
energía. De lograr su control solucionariamos el futuro durante muchos miles
de años.
Mucha gente se opone a la fusión nuclear debido a su “apellido” :
NUCLEAR. Esta palabra produce en la sociedad sentimientos contradictorios
debido a la falta de información que existe a nivel general. Pero la fusión , a
pesar de ser nuclear, no es lo mismo que la fisión, como ya queda patente con
esta exposición. Las ventajas que presenta la fusión en este aspecto es que,
mediante el control de los combustibles podemos controlar la cantidad y el tipo
de residuos radioactivos generados, así como la radioactividad “inducida” en los
materiales del reactor. En la fisión el uranio o el plutonio decaen para formar
familias compuestas de muchos elementos diferentes entre los que existen
isótopos altamente peligrosos, tanto por el nivel de radiación emitida como por
su elevada vida media; de tal manera que la fisión provoca residuos de
larguísima duración y en grandes cantidades.
En la fusión tenemos la ocasión de minimizar o incluso anular el
problema de generación de residuos radioactivos. El uso de combustibles
aneutrónicos no produciría residuos peligrosos. De cualquier modo incluso el
uso de combustibles neutrónicos minimizaría este problema, ya que la mayor
parte de los neutrones quedarían atrapados en la envoltura de litio dispuesta
para reabastecer al reactor de tritio. Podemos concluir que las únicas fuentes
de radioactividad serían la estructura del reactor y los núcleos de tritio que
escaparan.
Pero el tritio no resulta tan peligroso como los residuos de la fisión, ya
que :
 Cuando decae no emite radiaciones intensas.
 En caso de ingestión o inhalación accidental, se metaboliza junto con
el agua, de tal manera que no se acumula en la cadena trófica.
 Tiene una vida media moderadamente corta (12.3 años). Esto quiere
decir que los residuos no tendrían una duración excesivamente larga (alrededor
de unos 30 años).
Basándonos en los conocimientos actuales sobre el tritio, los expertos
opinan que la radiación producida por la fusión en un ciudadano medio no sería
ni comparable a la debida a los rayos cósmicos. Respecto a la estructura del
reactor, la radioactividad residual se minimiza con materiales especiales como
vanadio (que está en uso en un tokamak de Princeton).
La última cuestión que nos queda por tratar es : Si podemos disponer
actualmente de energías renovables, ¿por qué se hace necesaria la fusión ?
Las energías renovables dependen de la luz solar, que es una energía difusa y
de baja densidad. A pesar de que las energías renovables son respetuosas con
el medio ambiente, no parece quedar claro si finalmente serán ellas las que
carguen con la responsabilidad de la energía en el futuro , además por el hecho
de ser una energía difusa requieren ingentes cantidades de terreno, y las
grandes ciudades no poseen estos terrenos. Parece lógico que la humanidad no
debe depender sólo de un tipo de energía sino que debe disponer de varios, y
alguno de estos no debe ocupar demasiado espacio (por ejemplo la fusión).
Es decir, las energías renovables apuntan a ser la energía del mañana, pero la
fusión es posible que sea la del día después, así que , por si acaso, es
conveniente tenerla preparada.