FUSIÓN NUCLEAR

Índice Definición (pág.1) Esquema de una fusión solar (fotografía) (pág.2) Requisitos necesarios para la fusión nuclear (pág.3) Láser usado por científicos para la fusión nuclear (fotografía) (pág.4) Métodos de confinamiento (pág.5 y 6) Esquema de tomakak (fotografía) (pág.7) Aspectos generales (pág.8 y 9) Evolución histórica (pág.10 y 11) Stellarator TJ-II (fotografía) (pág.12) Un proyecto importante: el ITER (pág.13 y 14)

Definición de fusión nuclear La fusión nuclear es una reacción en la que dos núcleos de átomos ligeros, como son el hidrógeno y sus dos isótopos, deuterio y tritio, se juntan con la finalidad de formar un único núcleo más pesado que el de sus dos predecesores, liberando así una enorme cantidad de energía. Aunque parezca algo extraño o poco usual, hay un hecho que ocurre gracias a la fusión nuclear el cual está ocurriendo constantemente. La energía solar tiene su origen en la fusión de núcleos de hidrógeno, formando helio y haciendo que se libere una gran cantidad de energía que llega a la Tierra en forma de radiación electromagnética.

Esquema de una fusión solar

Requisitos necesarios para efectuar la fusión nuclear Se necesita una temperatura muy elevada para poder separar los electrones del núcleo y que éste se aproxime a otro venciendo las fuerzas de repulsión electrostáticas. La masa gaseosa compuesta por electrones libres y átomos altamente ionizados se denomina plasma. Un confinamiento necesario para mantener el plasma a elevada temperatura durante un tiempo mínimo. La densidad del plasma ha de ser suficiente para que los núcleos estén cerca los unos de los otros y se puedan dar lugar reacciones de fusión.

Láser usado por científicos para la fusión nuclear

Métodos de confinamiento Los métodos de confinamiento convencionales (cajas, vasijas...) no sirven para la fusión nuclear debido a las altas temperaturas del plasma. Por este motivo, los científicos están desarrollando dos métodos de confinamiento: Fusión nuclear por confinamiento inercial (FCI): Consiste en crear un medio tan denso que las partículas no tengan casi ninguna posibilidad de escapar sin chocar entre sí. Se hace impactar un rayo láser contra una pequeña esfera de deuterio para provocar su explosión. De este modo, se hace cientos de veces más densa y explosiona bajo los efectos de la reacción de fusión nuclear.

Fusión nuclear por confinamiento magnético (FCM): Las partículas cargadas de energía eléctrica del plasma son atrapadas en un espacio reducido por la acción de un campo magnético. El dispositivo más desarrollado se denomina tokamak (Toroidal KAmera MAgnetiK).

Esquema de tokamak

Aspectos generales Las reacciones de fusión más importantes son: D + T --> 4He + n + 17,6 MeV D + D --> 3He + n + 3,2 MeV D + D --> T + p + 4,03 MeV n = neutrones D = deuterio p = protones T = tritio Para que tengan lugar estas dos reacciones se les debe de suministrar a los núcleos la energía cinética necesaria para que se puedan aproximar los núcleos reaccionantes, venciendo así a las fuerzas de repulsión electrostáticas. Para ello se necesita calentar el gas hasta temperaturas muy elevadas (107 ó 108 ºC ), como las que se supone que tienen lugar en el centro de las estrellas. El gas sobrecalentado es al que se llama plasma.

El requisito de cualquier reactor de fusión nuclear es confinar el plasma con una temperatura y densidad lo bastante elevadas durante un periodo determinado para permitir que ocurran suficientes reacciones de fusión nuclear, evitando que escapen las partículas, para obtener una gran ganancia de energía. Aquí tenemos el esquema de un reactor nuclear:

Evolución histórica En 1929 Atkinson y Houtemans plantearon la posibilidad de obtener energía de las reacciones de fusión. En 1942, a partir del proyecto Sherwood, se llevaron a cabo los primeros avances tecnológicos que permitieron desarrollar el concepto de confinamiento magnético. Algunos de los primeros diseños fueron: z-pinch y stellarator. En 1961, J. Nuckolls, de Estados Unidos, y N. Basov, de Rusia, desarrollaron una técnica con la que se podrían obtener reacciones de fusión nuclear mediante altas comprensiones provocadas por la cesión de energía. En 1965, Artsimovich presentó los resultados de sus investigaciones, en la “2ª Conferencia de Plasma y Fusión Controlada”, sobre el concepto tomakak.

En 1968, el Premio Nobel N. Basov, informó de la obtención de temperaturas de ignición y de la producción de neutrones en las reacciones de fusión nuclear empleando láseres. En la década de los 70 comenzó a producirse la primera serie de publicaciones sobre FCI (Fusión nuclear por Confinamiento Inercial). En 1983, se pone en funcionamiento la primera máquina de fusión nuclear, el Tomakak TJ-I. En la década de los 90, las instalaciones de tipo tomakak permitieron obtener cierta potencia. Hasta la fecha, se han llegado producir hasta 12 MW de potencia en reacciones de fusión nuclear controladas durante más de un segundo. En 1994, se puso en marcha el primer dispositivo de fusión nuclear construído totalmente en España: el Stellarator TJ-I upgrade, que fue cedido en 1999 a la Universidad de Kiel al entrar en operación el TJ-II.

Stellarator TJ-II

Un proyecto importante: el ITER El 21 de mayo de 2006 se anunció que algunos físicos estadounidenses superaron uno de los problemas de la fusión nuclear usando el modelo tomakak, el fenómeno llamado ELMs (siglas en inglés) que provocaría una erosión del interior del reactor, obligando a su reemplazo frecuentemente. En un artículo publicado el domingo 21 de mayo de 2000 en la revista británica Nature Physics, un equipo dirigido por Todd Evans de la empresa General Atomics, California, anunció que descubrieron que un pequeño campo magnético resonante, proveniente de las bobinas especiales ubicadas en el interior de la vasija del reactor, crea una interferencia magnética “caótica” en el borde del plasma que detiene la formación de flujos.

El 24 de mayo de 2006 los siete socios del proyecto ITER (Unión Europea, Japón, Estados Unidos, Corea del Sur, la India, Rusia y China) firmaron en Bruselas un acuerdo internacional para el lanzamiento del reactor de fusión con el modelo tomakak, que se construirá en Cadarache, en el Sudeste de Francia. Los costes de construcción del reactor se estimaron en 4.570 millones de euros y la duración de la construcción en 10 años. La UE y Francia se comprometieron a contribuir con el 50% del coste, mientras que las otras seis partes acordaron aportar cada una alrededor del 10%.

Trabajo realizado por: Patricia Cancho García, de 1ºA (Bachillerato) Fuentes obtenidas de: www.energia-nuclear.net www.wikipedia.org (sólo la parte del ITER)