SET-TE: Fusión nuclear 1.- Descripción general La fusión nuclear es un proceso en el cual dos núcleos atómicos se funden formando el núcleo de un único átomo. La pérdida de masa que se produce en el proceso (para núcleos de átomos con número atómico menor al del hierro) se convierte en energía, descrita a través de la conocida ecuación E = mc2, donde c es la velocidad de la luz en el vacío. Este tipo de procesos se producen en entornos de elevada densidad másica y temperaturas (estrellas) y se pretende reproducir de forma controlada en nuestro planeta. De esta forma se establece el criterio de Lawson, a partir del cual se señala que para lograr la ignición en reacciones de fusión nuclear se debe conseguir que el triple producto de la figura de mérito de densidad, tiempo y temperatura de confinamiento se sitúe por encima de un determinado valor (figura 1). Figura 1.- Representación de la figura de mérito de Lawson (producto de la fusión) frente a la temperatura central del ion para distintos prototipos de reactor de fusión. La reacción de fusión nuclear más estudiada y simple es la que genera helio a partir de la reacción de deuterio y tritio (figura 2), produciendo una reacción exotérmica con una energía de 14,1 MeV, varios órdenes de magnitud mayor que las producidas por reacciones químicas que impliquen sólo ruptura de enlaces electrónicos. 1 Figura 2.- Esquema de la reacción nuclear de fusión a partir de deuterio y tritio. Sin embargo, para que la reacción nuclear se produzca, se han de vencer las fuerzas positivas repulsivas de los núcleos atómicos. Así, si estas fuerzas repulsivas se trataran de vencer con la temperatura, sería necesario alcanzar 120 millones de grados kelvin. Otras formas de lograr la reacción de fusión nuclear son mediante confinamiento, planteándose de tres tipos distintos: 1. Confinamiento gravitatorio: descartado en principio debido a las exigencias de masa mínima (estrellas). 2. Confinamiento magnético: utilizando un plasma de partículas cargadas (el proceso más estudiado actualmente). 3. Confinamiento inercial: aplicando un pulso rápido de energía a una parte de un pellet de combustible de fusión se puede conseguir que, de forma simultánea, implosione y generar calor a muy alta presión y temperatura. Si el combustible es suficientemente denso y caliente, se puede conseguir la reacción de fusión. Con respecto a la estadística sobre producción de energía a partir de procesos de fusión nuclear, lo más destacable es lo logrado con el reactor JET (Joint European Torus) situado cerca de Oxford (Gran Bretaña). Este fue el primer reactor en utilizar deuterio y tritio como combustible y aún mantiene el record del mundo de generación de energía por fusión (1997): 16 MW de potencia durante 1 segundo, demostrando también una capacidad de generar procesos de fusión de forma continua de 4 MW durante 4 segundos. Estos procesos se generaron con una relación potencia de entrada / potencia de salida de 0,64, llegando a calentar el plasma hasta 300 millones de grados centígrados. 2.- Estado actual de la tecnología La actividad tecnológica en el campo de la fusión nuclear se centra en sistemas basados en confinamiento magnético y confinamiento inercial, que son los que consideramos a continuación. 2 Fusión por confinamiento magnético Dentro de esta tecnología destaca de forma importante el dispositivo denominado tokamak sobre el resto de configuraciones ensayadas para producir el confinamiento magnético del plasma. Así, el tokamak es un tipo de dispositivo con estructura toroidal en el que, para conseguir crear el plasma en equilibrio, las líneas de campo magnético deben dibujarse de forma helicoidal en el toro, lo que se consigue a partir de electroimanes y corrientes eléctricas dispuestos de forma específica (figura 3). Figura 3.- Esquema del tokamak. El confinamiento se realiza dentro de una cámara de vacío (10-10 atmósferas) sobre la que se sitúan bobinas con arrollamiento toroidal y poloidal para generar un campo magnético de varios teslas (figura 4) que genere el confinamiento. El haz de plasma actúa como circuito secundario del transformador, mientras que existe un solenoide central que actúa como circuito primario. La superficie interior de la cámara de vacío va recubierta de lo que se denomina “manto fértil”, formado por litio y cuya función es generar tritio y recoger los neutrones y el calor generado. El sistema se coloca dentro de un criostato para lograr las bajas temperaturas necesarias. 3 Figura 4.- Esquema del tokamak diseñado para ser el reactor de fusión del ITER. Este sistema es el que ha sido utilizado para el JET y el ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor). El ITER es el mayor proyecto de fusión nuclear actualmente en desarrollo en nuestro planeta, y tiene como objetivos demostrar que es posible producir de forma constante energía eléctrica a partir de la fusión nuclear. Se plantea producir 500 MW de potencia con una relación potencia de entrada / potencia de salida >10, y con una vida útil de 20 años. Se estima que serían necesarias 3.000 Tm de agua y 10 Tm de litio para mantener un reactor de fusión de 1 GW funcionando durante 1 año. El consorcio que impulsa el ITER está formado por la Unión Europea, que compromete el 45% del capital, Estados Unidos, India, Japón, China, Corea del Sur y Rusia. Otros dispositivos basados en confinamiento cuántico son los RFPs (reversed field pinches) y los stellarator. En cuanto a los primeros, la idea de partida es la compresión de un filamento conductor eléctrico formado por plasma, mediante campos magnéticos. Se utiliza una estructura toroidal pero, a diferencia del tokamak, a medida que se produce un desplazamiento radial, el campo magnético invierte su dirección, de forma que se producen compresiones del plasma en períodos cortos, lo que le permite trabajar con menores demandas de energía aunque se vuelve más inestable (figura 5). Figura 5.- Sistema Reversed Field Pinch de Padova (Italia). 4 En cuanto a los sistemas stellarator, son uno de los primeros dispositivos utilizados para confinar plasma con el objetivo de generar reacciones de fusión nuclear. En este caso, la compresión del plasma se produce con menores densidades que el Reversed Field Pinches, pero durante períodos más prolongados. El problema en este caso es conseguir que las partículas más calientes (y apreciadas) no escapen, lo que se logra mediante un sistema de campos magnéticos variables y deformaciones mecánicas. Estas deformaciones mecánicas se suelen sustituir también por arrollamientos helicoidales a lo largo del toro que generan un campo eléctrico que produce un efecto similar al producido por las deformaciones mecánicas (figura 6). Figura 6.- Esquema del Stellarator. Fusión por confinamiento inercial: En este caso, los esfuerzos principales se localizan en la National Ignition Facility (NIF) situada en el Lawrence Livermore National Laboratory de Estados Unidos, terminada de construir en 2009 y que ya se encuentra ensayando el proceso de fusión nuclear. En este caso, dos láseres de fibra óptica dopada con ytterbio (denominados “master oscillators”) producen un flash infrarrojo de 1053 nm y con una energía del orden de nanojulios, el cual se divide en 48 haces que se hacen pasar por 48 preamplificadores de neodimio-vidrio que elevan su energía hasta los 6 julios. Seguidamente, cada haz es, a su vez, dividido en 4, de forma que los 192 pulsos pasan por amplificadores de vidrio de fosfato dopado con neodimio bombeados con 7.680 lámparas flash de xenon que almacenan 400 MJ de energía eléctrica, y se forma el haz principal. A continuación se utiliza una célula Pockels para atrapar el haz y hacerlo volver a pasar por el sistema de amplificación hasta que alcanza una energía de 6 MJ. A continuación se hace pasar el haz por unos convertidores de frecuencia para convertir el haz infrarrojo primero en verde (527 nm) y posteriormente en ultravioleta (351 nm), lo que es más efectivo para calentar el blanco (figura 7). En este proceso su energía se reduce a 1,8 MJ, y dado que el pulso es de 20 ns, la potencia alcanzada es de 500 TW (mayor que toda la capacidad de generación eléctrica de Estados Unidos). 5 Figura 7.- Esquema del sistema utilizado en la NIF (Science). El blanco es una esfera hueca de berilio de unos pocos milímetros de diámetro, que contiene 0,15 mg de deuterio y tritio enfriado a 18 K, formando así una fina capa de hielo en la parte interior de la esfera. Esta esfera se coloca dentro de un pequeño cilindro de oro denominado “hohlraum”, que con el pulso de luz ultravioleta se calienta tanto que emite un pulso de rayos-X que hace que la esfera de berilio explote, haciendo que el hielo de deuterio-tritio implosione hacia el centro de la esfera generando una densidad 100 veces la del plomo lo que, acompañado por la onda shock generada por la explosión de la cápsula de berilio, permite predecir que la temperatura del combustible alcanzará los 100 millones de grados kelvin, de forma que se produzca un proceso de ignición que genere más reacciones de fusión. Etapas de desarrollo: En función del grado de penetración en el mercado, podemos señalar que los sistemas estudiados se encuentran en una etapa de introducción, donde priman las actividades de investigación y desarrollo. Sin embargo, se puede señalar que es el confinamiento inercial el que se encuentra en una posición más avanzada debido a la actividad demostrada por la NIF (figura 8). Figura 8.- Estado del desarrollo de las dos tecnologías con mayores perspectivas dentro de la generación de energía a partir de procesos de fusión nuclear. 6 3.- Costes actuales y futuros escenarios En relación a los costes, lo más aproximado surge de la información económica sobre los grandes proyectos que se están llevando a cabo en el ITER y en la NIF. Así, del estudio de evolución de costes del proyecto ITER se comprueba que, aunque inicialmente el presupuesto del proyecto se estimaba en unos 4,5 miles de millones de euros, las últimas previsiones anunciadas por la Unión Europea a principios de mayo de 2010 elevan dicha cifra 12,1 miles de millones de euros[1]. Este incremento se ha atribuido a mejoras sobrevenidas en el diseño del reactor, costes de organización (inicialmente sólo se planteaban 3 socios) y mejoras en el proceso de control de calidad. En el caso de la NIF, aunque inicialmente el presupuesto se estimó en mil millones de dólares, finalmente la cifra alcanzó los 3,5 miles de millones, después de 7 años de construcción[2]. Esto fue debido a que desde el principio surgieron problemas, especialmente con los condensadores asociados a las lámparas flash de bombeo y al polvo que se depositaba sobre los componentes ópticos. 4.- Tasa de retorno energético, emisiones de CO2 y costes externos No hemos detectado estudios al respecto, pero es evidente que las tasas de retorno energético logradas hasta la fecha son ínfimas, considerando el enorme aporte energético que requieren estas instalaciones para poder funcionar. Por otro lado, dada la complejidad de los procesos constructivos, la necesidad de combustible y otros materiales que se consumen durante su funcionamiento, las emisiones de CO2 y los costes externos no son despreciables. 5.- Tendencias tecnológicas futuras Fusión por confinamiento magnético: En este caso, se puede señalar que los esfuerzos tecnológicos principales se centran en la construcción del ITER, el cual deberá terminar de construirse en 2018, circulando ese mismo año plasma en su interior. La planificación está trazada para que en la década 2030-2040 esté diseñado el primer reactor nuclear comercial. Las características principales del ITER se exponen en la tabla 1: 7 Tabla 1.- Principales características del reactor de fusión nuclear ITER. Dentro del concepto de tokamak también se puede situar el desarrollo del toro esférico, el cual, con algunas variaciones, trata de mejorar las condiciones de confinamiento de plasma, especialmente en lo relacionado con la estabilidad. De forma más específica, las tendencias tecnológicas futuras en este campo apuntan a la necesidad de desarrollar nuevos materiales que garanticen el adecuado funcionamiento de los reactores de fusión comerciales que pretenden desarrollarse a partir de la iniciativa ITER. Especialmente se quiere indagar en materiales que soporten adecuadamente la irradiación generada durante la operación del reactor, especialmente nuevos tipos de acero inoxidable. Además, ha de ganarse experiencia en el control del flujo de litio líquido dentro del reactor, para lo cual se pretende utilizar la experiencia en el manejo de líquidos corrosivos. En este sentido, también es crítico el control del proceso a partir del cual el tritio se genera a partir de la captura de neutrones del plasma haciéndolos colisionar con el litio y devolviéndolos de nuevo al plasma. También es necesario avanzar en la simulación de los procesos que se producen durante el confinamiento magnético. Esta simulación, que ha de ser llevada a cabo mediante la utilización de superordenadores, también se dedicará al desarrollo de los nuevos materiales. Por último, se está estudiando la posibilidad de utilizar reactores de fusión nuclear (principalmente el ITER) dentro de reactores de fisión, y ser empleados como fuente de neutrones para controlar el agotamiento del combustible de fisión nuclear, el cual se produce por una absorción desmesurada de neutrones producidos en la reacción en cadena[3]. Esta idea no es nueva, pero el avance en el desarrollo del proyecto ITER la hace tener más posibilidades de realizarse a largo plazo. Fusión por confinamiento inercial: En este caso, el objetivo inicial es que los procesos de fusión que se produzcan en la NIF lleguen a alcanzar los 100 MJ en energía generada por pulso incidente[4]. El siguiente paso es conseguir incrementar el número de pulsos que se pueden generar (2 pulsos al día en la actual NIF) hasta alcanzar un cierto número por segundo, incrementar la eficiencia de los láseres a un 20 – 30% y poder fabricar 8 las cápsulas de ignición a menor coste (figura 9). Así, se está impulsando el proyecto HAPL (High Average Power Laser) con el objetivo de poder producir 10 disparos por segundo, óptica que pueda almacenar energía por períodos prolongados de tiempo, una cámara de impacto que pueda absorber neutrones del proceso de fusión y convertirlos en energía, y una factoría de cápsulas de ignición. Se plantea utilizar un láser de gas fluoruro de kripton. También se están planteando mejores versiones de láser de neodimio y sustituir las lámparas de flash por diodos láser de estado sólido. Figura 9.- Imagen recreando la cápsula en la que se sitúa el combustible e iluminada por el pulso (fuente: Science). En Europa la estrategia es un poco distinta, queriendo emplear el proceso denominado “fusión de ignición rápida”, en la cual se usa un láser para comprimir el combustible y un segundo pulso con mucha potencia (1015 W) pero muy corto para provocar el proceso de fusión. Este proceso podría disminuir las exigencias de energía para los láseres. De forma más específica, en estos sistemas hay que tratar de evitar dos focos de inestabilidad: (i) interacciones láser-plasma, que se producen cuando el haz láser incide en la pared interna del hohlraum de oro generando plasma, lo que reduce la potencia sobre la cápsula de berilio; y (ii) inestabilidades hidrodinámicas, que hace que la cápsula no implosione simétricamente. También hay que controlar el riesgo de daño a la óptica del sistema. 6.- Hitos en preproducción 2008-2010 Primeros ensayos de la NIF[5,6]: A principios de enero de 2010 se dieron a conocer los primeros experimentos utilizando los 192 haces de la NIF sobre un blanco de prueba vacío de combustible, comprobando que se acoplaban de forma eficiente y que el blanco implosionaba de forma simétrica. Los pulsos utilizados eran de 0,7 MJ, un 40% del máximo que se estima que puede proporcionar el NIF. Por otro lado, el pasado 6 de octubre de 2010 se ensayó con éxito el primer experimento de ignición integrado, en el cual el láser de 192 haces disparó 1 MJ de energía sobre la cápsula (figura 10), demostrando la adecuada integración de los equipos para iniciar la campaña de ignición. 9 (b) (a) Figura 10.- (a) Imagen de la cápsula de oro antes del proceso de ignición e (b) imagen del ensamblador de la cápsula después del pulso láser (fuente: NIF). Incertidumbre en la financiación del ITER[1]: La Comisión Europea anunció el pasado mes de mayo de 2010 que su contribución al proyecto ITER (figura 11) iba a tener que incrementarse desde los 4,5 a los 7,2 miles de millones de euros, lo que supone un déficit de 1,4 miles de millones de euros con respecto al presupuesto previsto hasta 2013. La situación es complicada, dadas las restricciones presupuestarias actuales en la UE y la imposibilidad de recurrir a créditos por no ser identificable actualmente la forma de poder financiarlo. Figura 11.- Imagen aérea del lugar en el que se emplaza el ITER (Caradache, Francia). Se inauguran los edificios de la “Broader Approach” en Rokkasho (Japón)[1]: El pasado 27 de abril (y en plazo) se inauguraron los edificios que van a dar cobertura a la “Broader Approach” asociada al desarrollo del ITER, en Rokkasho, al norte de Japón. En estas instalaciones se pretende realizar buena parte de la investigación necesaria para el buen desarrollo del proyecto ITER y otros futuros reactores dedicados a la fusión nuclear, especialmente en lo concerniente a nuevos 10 materiales y resistencia a la radiación. Para este cometido se contará con un acelerador de partículas y el superordenador más potente de Japón, con el cometido de poder simular los procesos que se ensayen. 7.- Hitos en innovación 2008-2010 Algunos científicos siguen insistiendo en la fusión fría y con burbujas[7]: La fusión fría se planteó como la posibilidad de lograr procesos de fusión de hidrógeno a temperatura ambiente (principalmente mediante procesos electroquímicos), sin tener que recurrir a enormes exigencias de presión y temperatura dentro del proceso, y en 1989 se publicó un trabajo por parte de los científicos Martin Fleishmann y Stanley Pons que manifestaba que se había logrado. Posteriormente se demostró que ese logro era falso. Sin embargo, y aunque la financiación pública para este tipo de experimentos ha desaparecido y la comunidad científica señala que no existe explicación teórica a la posibilidad de que la fusión fría se pueda lograr, suelen aparecer de vez en cuando trabajos que tratan de revivirla. Así, investigadores del Space and Naval Warfare Systems Command, en San Diego, California, EE.UU., han vuelto a arriesgarse anunciando y publicando el haber encontrado trazas de fusión fría[8]. Otra aproximación a través del confinamiento a partir de la implosión de burbujas ha terminado también en los tribunales, y siendo condenado su impulsor por mala conducta científica y apartado de sus labores docentes en la Purdue University[7]. 8.- Estadística de publicaciones La figura 12 muestra el número de publicaciones científicas durante el período 2001-2009 para los dos tipos principales de tecnologías utilizadas para la producción de energía a partir de reacciones de fusión nuclear[9]. Como se puede apreciar, la tendencia está dominada por la tecnología de confinamiento inercial. Esto es atribuible al hecho de que el confinamiento inercial está muy relacionado con el desarrollo de tecnología que se puede utilizar para otros fines, especialmente la tecnología láser, mientras que el confinamiento magnético es más específico de los procesos de fusión. También conviene señalar que aunque el volumen de publicaciones es importante, se percibe que la tendencia ascendente es bastante leve frente a otras tecnologías analizadas en esta serie de SETs, lo que se atribuye a que el campo de la fusión nuclear está bastante estabilizado en su actividad científica y tecnológica. 11 250 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 Número de publicaciones 200 150 100 50 0 Confinamiento magnético (830) Confinamiento inercial (1506) Figura 12.- Número de publicaciones científicas durante el período 2001-2009 para los dos tipos de tecnologías utilizadas en procesos de fusión. 9.- Referencias 1.- News. Science (2010). 2.- G. Gould (2009). 3.- News feature. Nature (2009). 4.- News Focus. Science (2010). 5.- News of the week. Science (2010). 6.- LLNL. DOE (2010). 7.- “The beast that will not die”. Science & Technology. The Economist (26th March 2009). 8.- Pamela A. Mosier-Boss et al. (2009). 9.- ISI Web of Knowledge. 12