CEU
Colegio Jesús María
Alicante
La fusión nuclear se realizará dentro del "TOKAMAK" ("Cámara toroidal y bobina magnética"), una cámara de 24m de altura y 28m de diámetro con una capacidad de 837m3. Para lograr la fusión, se debe confinar un plasma muy caliente durante un determinado periodo de tiempo. Este reactor produce fuertes campos magnéticos producidos por grandes imanes que serán utilizados para confinar el plasma en una parte del reactor con forma de aro.
fusión nuclear
¿QUÉ ES LA FUSIÓN NUCLEAR?
La fusión nuclear es una fuente de energía alternativa a la fisión nuclear. A diferencia de esta, la fusión nuclear consiste en la unión de dos núcleos atómicos ligeros para formar un único núcleo pesado.
El objetivo inmediato de un reactor que utiliza fusión nuclear es producir vapor de agua a alta temperatura para, al acabar el proceso, generar energía eléctrica. En la fusión nuclear se desprende una enorme cantidad de energía debido a que el peso del núcleo pesado es menor que la suma de los pesos de los núcleos ligeros.
Este defecto de masa se transforma en energía (E = mc2) muy concentrada. En otras palabras, como en un gramo de materia hay millones de átomos, una pequeña cantidad de combustible proporciona mucha energía.
December 13, 2017
Tras 21 años de investigación y trabajo, el proyecto ITER cada día está más cerca de arrojar resultados y llevar a cabo una fusión nuclear controlada con el objetivo de producir energía eléctrica – fusión tokamak de 500MW.
November 06, 2017
Un grupo de científicos de Tel Aviv y Chicago descubrió y demostró experimentalmente la existencia de una posible fuente de energía superior a todas las conocidas con anterioridad. Y como un premio, su tecnología excluye la aparición de las peligrosas reacciones en cadena.
October 22, 2017
Madrid, 23 oct (EFE).- El proyecto internacional ITER, cuyo objetivo es demostrar la viabilidad de la fusión nuclear como fuente de energía, contará con tecnología española para el ensamblaje de su "corazón", una cámara de acero herméticamente cerrada que albergará las reacciones de fusión.
Un reactor de fusión nuclear imita los fenómenos que tienen lugar en el núcleo de las estrellas. Todas ellas, incluido el Sol, experimentan constantemente reacciones de fusión, dando lugar a la luz y el calor que recibimos en la Tierra. ¿Cómo sucede esto? Resulta que los núcleos de hidrógeno incrementan muchísimo su energía cinética por las elevadas temperaturas, chocan entre sí y se fusionan dando lugar a un núcleo más pesado de helio, liberando energía en el proceso. Esta energía es percibida en la tierra en forma de radiación electromagnética.
FUSIÓN NUCLEAR
Las reacciones de fusión nuclear ocurren naturalmente en el Sol, a temperaturas de 15.000.000°C
Por eso es costoso replicarla en la Tierra.
Las reacciones de fusión nuclear también se pueden llamar reacciones termonucleares debido a las temperaturas que experimentan. En el interior del Sol, la temperatura puede alcanzar los 15 millones de grados Celsius – una temperatura que se intenta recrear en las centrales de fusión en la Tierra.
Temperatura para separar los electrones del núcleo, que formarán una nube de electrones llamada plasma, y unir dichos núcleos.
Conseguir un plasma suficiente para acercar los núcleos y producir la fusión.
Aparatos que mantengan el plasma a temperatura elevada durante cierto tiempo, para evitar que vuelvan a juntarse con los núcleos.
EL PROCESO
La energía producida en la reacción de fusión depende de los núcleos que se unen y los productos que se originan. En primer lugar, para que produzca la fusión nuclear se deben cumplir los criterios de Lawson:
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Una vez se hayan alcanzado estos requisitos, se puede pasar al proceso en sí. Generalmente, se emplean núcleos con un peso menor que el núcleo de Fe-56, ya que son más fáciles de manejar y participan en reacciones exotérmicas. Actualmente, los elementos atómicos más utilizados son el Deuterio (D) y el Tritio (T) para formar Helio y un neutrón.
D + T -> 4He + n + 17,6 MeV
El Deuterio es un isótopo del hidrógeno formado por un solo protón y un neutrón. Es un elemento muy abundante en el agua, de un átomo por cada 6500 átomos (34 gramos por metro cúbico de agua). La capacidad energética del deuterio es tan elevada que la energía que se podría obtener de un litro de agua por fusión equivale a la energía obtenida por la combustión de 250 litros de petróleo.
El Tritio es un isótopo radioactivo del hidrógeno formado por un protón y dos neutrones. Se desintegra por emisión beta, por eso es escaso en la naturaleza. No obstante, se puede producir fácilmente a partir de reacciones de litio, abundante en la corteza terrestre y agua.
Las reacciones que se producen en un proceso de fusión son estas:
1. Fusión de deuterio con tritio, para obtener helio y un neutrón.
2. Fusión de dos núcleos de deuterio para dar helio y un neutrón.
3. Fusión de dos núcleos de deuterio para dar tritio y un protón.
D + T → 4He + n + 17,6 MeV
D + D → 3He + n + 3,2 MeV
D + D → T + p + 4,03 MeV
Como se ha dicho anteriormente, para que se produzcan estas reacciones los núcleos deben alcanzar la energía cinética necesaria para acercarse, superar la repulsión o barrera de Coulomb y fusionarse. Para ello, el gas se eleva a temperaturas muy elevadas, como en el núcleo de las estrellas, y el plasma producido se debe contener a una temperatura estable durante el tiempo necesario para que finalicen todas las reacciones.
FUNCIONAMIENTO DE UN REACTOR DE FUSIÓN NUCLEAR
Un reactor de fusión nuclear necesita de un inyector de "combustible"; un iniciador, que normalmente es un láser; una cubierta protectora (de radiación y calor); y electro-imanes o cubierta magnética para mantener el plasma confinado. Se necesita, a su vez, una cámara capaz de calentar el deuterio y tritio a más de 100.000.000ºC. Una vez así, la mezcla comienza la fusión nuclear que alcanza los 150 millones. Para mantener la mezcla alejada de las paredes del reactor, se instala un electro-imán en forma de anillo potente a su alrededor. Con el campo generado mantiene el plasma flotando
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Para demostrar que la fusión nuclear es factible, en 1986 se formó la ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor, en español Reactor Termonuclear Experimental Internacional) en Francia. Su objetivo es probar todos los elementos necesarios para el funcionamiento y construcción de un reactor de fusión nuclear, además de reunir los recursos tecnológicos y científicos de los programas de investigación en desarrollo.
DOCUMENTAL SOBRE EL TOKAMAK
FUSIÓN NUCLEAR EN LA NATURALEZA
DESVENTAJAS
-Es un proceso difícil de replicar en la práctica: la fusión nuclear intenta reproducir los fenómenos que suceden de forma natural en las estrellas; sin embargo, mantener unas condiciones de temperatura tan elevadas es complicado y requiere demasiada energía.
-Es un proceso bastante costoso: la fabricación de materiales que soporten las elevadas temperaturas está todavía en desarrollo y necesita
-Resulta poco rentable a corto plazo: la cantidad de energía necesaria para sobrepasar la “barrera de Coulomb” de los núcleos positivos es muy grande, y puede ser incluso mayor que la energía producida. No obstante, a largo plazo la fusión nuclear es la fuente productora de mayor cantidad de energía.
VENTAJAS
-Es una energía más limpia que la fisión nuclear: reduce las emisiones y los residuos generados, que son mucho menos radioactivos que en la fisión.
-Su producción es más segura: como la fusión consiste en unir núcleos, se evitan los accidentes en el reactor por las reacciones en cadena propios de la fisión nuclear.
-Genera una gran cantidad de energía: una pequeña cantidad de masa es capaz de producir muchísima energía.
-Es una fuente de energía prácticamente inagotable: en la fusión se utilizan núcleos de átomos menos pesados que el hierro (Fe), que son fácilmente accesibles y manejables a diferencia de los utilizados en la fisión, como el uranio (U).
HISTORIA DEL DESARROLLO DE LA FUSIÓN NUCLEAR
Artsimovich presenta los resultados de sus investigaciones, en la “2ª Conferencia de Plasma y Fusión Controlada”, sobre el concepto TOKAMAK.
Atkinson y Houtemans plantean la posibilidad de obtener energía de las reacciones de fusión nuclear.
H. Bethe, E. Fermi, R. Oppenheimer y E. Teller llevan a cabo el proyecto Sherwood, que permite desarrollar el concepto de confinamiento magnético, se obtienen primeros diseños.
J. Nuckolls (EEUU) y N. Basov (URSS) desarrollan una técnica mediante la cual se puede obtener reacciones de fusión nuclear por altas compresiones. Se desarrollan programas secretos en EEUU y Rusia, posteriormente Francia. Otros países como Alemania, Japón, Italia y EEUU (Rochester) desarrollan programas abiertos.
El Premio Nobel N. Basov, informa sobre la obtención de temperaturas de ignición y de la producción de neutrones en las reacciones de fusión nuclear empleando láseres.
Comienza a producirse la primera serie de publicaciones sobre FCI (Fusión nuclear por Confinamiento Inercial). En EEUU, los principales investigadores son Brueckner, Nuckolls, Kidder y Clark. En Rusia, Basov y su equipo consiguen el experimento más avanzado, la implosión de esferas de CD2. Se observa que electrones y haces de iones ligeros y pesados son serios candidatos a la fusión nuclear por confinamiento inercial.
Simulaciones teóricas del Proyecto HIDIF (Heavy Ion Design of Ignition Facility) patrocinado por varios laboratorios e institutos europeos y por el Lawrence Berkeley Laboratory americano.
Se desarrollan instalaciones tipo JET.
Se desarrollan instalaciones tipo TFTR, actualmente clausurado.
En España, el CIEMAT (Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas) pone en marcha el primer dispositivo de fusión nuclear construido totalmente en España: el Stellerator TJ-I upgrade.
Se desarrolla el ITER, un proyecto tecnológico cuya investigación necesitará 20 años. Las tecnologías usadas son la robótica, superconductividad, microondas, aceleradores y los sistemas de control. En la máquina ITER se prueban las soluciones a los problemas que necesitan ser resueltos para hacer viables los futuros reactores de fusión nuclear. Las inversiones para su construcción rondan cerca de 5.000 millones de euros, y los costes de funcionamiento alcanzan los 5.300 millones de euros..