Reactores de fusión termonuclear por confinamiento magnético


Reactores de fusión termonuclear por confinamiento magnético

Reactores de fusión termonuclear por confinamiento magnético

Reactores de fusión termonuclear por confinamiento magnético


El Sol es un reactor natural de fusión termonuclear.

Los reactores de fusión termonuclear por confinamiento magnético son proyectos experimentales, vialmente posibles, que se hallan en proceso de diseño y realización. Se utilizan para la generación de energía a partir de la fusión termonuclear de iones confinados por campos magnéticos.

Se basan en el funcionamiento de las reacciones termonucleares producidas en las estrellas, que son reactores de fusión naturales y suelen utilizar el hidrogeno como combustible, ya que es el elemento químico, más sencillo y común de universo. Como resultado, al contraerse y fusionarse bajo la presión extrema de la gravedad, el hidrógeno es reconvertido en helio. En estas reacciones, alrededor 0.5% de la masa del hidrógeno se convierte en energía, de acuerdo con la famosa ecuación de Einstein E=mc2 que relaciona la masa y la energía. De esta forma, las estrellas irradian energía en forma de luz y de calor. Hermann von Helmholtz (investigador alemán), observó en 1854 que la propia gravedad del Sol suministraba una gran cantidad de energía. Postulaba que si el Sol se contrae gradualmente, toda su materia se cae gradualmente hacia el centro y como resultado de dicha fusión, se produce suficiente energía para mantener su radiación durante mucho tiempo.

Para poder reproducir una fusión artificial a pequeña escala, en lugar del hidrógeno, utilizamos el deuterio y el tritio como combustibles, dado que estos dos isótopos del hidrogeno, necesitan una menor energía calorífica para fusionarse, que la utilizada por las estrellas. Los reactores experimentales en construcción (ITER) guiarán la viabilidad de los distintos sistemas de generación de energía por fusión en nuestro planeta.

Para poder reproducir una fusión artificial a pequeña escala, utilizamos el deuterio y el tritio como combustibles, dado que estos dos isótopos del hidrogeno, necesitan una menor energía calorífica para fusionarse que la utilizada por las estrellas.

Contenido

Funcionamiento

Para entender algo mejor el fenómeno de fusión hay que adentrarse en la física nuclear y tener en cuenta que el átomo, se compone de un núcleo central que esta formado por protones, que tienen carga positiva, y neutrones, que son neutros, o sea, que no poseen carga eléctrica. Orbitando, alrededor del núcleo, se encuentran los electrones, cargados negativamente.

La fuerza nuclear fuerte, es la fuerza fundamental, que mantiene unido el núcleo, protones y neutrones. Los electrones, que tienen carga negativa, resultan atraídos hacia el núcleo por unas fuerzas eléctricas que son menos potentes que la fuerza nuclear fuerte.

Fusión: Deuterio & Tritio = Helio & neutrón + energía

Para que pueda existir, una reacción de fusión, dos átomos ligeros tienen que unirse, produciendo una reacción química, obteniendo como resultado de dicha reacción un átomo mayor. En esta reacción química, se libera mucha energía que proviene de La fuerza nuclear fuerte que unía el núcleo. Este desecho, (la fuerza nuclear fuerte), al separarse del núcleo, desprende energía calorífica.

Para conseguir fusionar dos átomos, hay que superar la fuerza de repulsión que poseen sus núcleos al repelerse, pues los protones de los dos núcleos, tienen signo positivo.

Solo si los dos núcleos se acercan lo suficiente, pueden superar la cresta de repulsión. Esto se consigue haciéndolos chocar a gran velocidad y elevando la temperatura del reactor a unos 150 millones de grados.

A esas temperaturas, los átomos se mueven a una velocidad tal que se separan en núcleos y electrones libres pues dejan de estar unidos por la fuerza eléctrica que los unía. Este estado de la materia es el cuarto estado, por encima del estado gaseoso. A este cuarto estado se le denomina “plasma”.

En un plasma, todas las partículas se mueven a altísimas velocidades en todas las direcciones, a temperaturas superiores de 150 millones de grados.

Para poder conservar esta altísima temperatura, hay que evitar que el plasma choque contra las paredes del reactor. Par evitar estos choques, se utilizan campos magnéticos. Con la ayuda de los campos magnéticos, las partículas del plasma seguirán las líneas magnéticas, como si fuesen guiadas por un carril. Para evitar que las partículas choquen con los extremos del reactor, científicos rusos inventaron el reactor “tokamak”.

Un tokamak o cámara toroidal , es un reactor de fusión con forma cilíndrica y anular (algo parecido a una rosquilla o la cámara de goma de una rueda de un vehículo). Un tubo sin extremos rodeado exteriormente con unas bovinas que deben proporcionarle el campo magnético. Este tipo de reactor también recibe el nombre de toro.

Dentro del tokamat, la temperatura es muy alta, (unos 150 millones de grados ). Para que el reactor sea seguro necesita tener una presión baja, para que la densidad del plasma también lo sea. Esto es algo que tecnológicamente puede ser complicado, pero es indispensable para el buen funcionamiento del reactor.

En un reactor de fusión, el combustible (deuterio y tritio), no producen una reacción en cadena que pueda contaminar el medio ambiente, en caso de accidente, como ocurre con la fisión nuclear. Si al reactor de fusión se le deja de suministrar combustible, la reacción se para, lo que hace a este tipo de reacción por fusión, sea limpia, segura y ecológica.

Interior de un reactor de fusión "Tokamak"

En la fusión, se utiliza como combustible el deuterio y el tritio, que son isótopos del hidrógeno. El Deuterio para fusionarlo con un átomo de Tritio y así poder obtener como resultado de esta reacción, un neutrón, un átomo de helio y mucho calor, como resultado de la destrucción de la fuerza nuclear fuerte, del núcleo de los átomos del deuterio y tritio.

Fusionando el litio se obtendría tritio y helio. Las reservas de litio en el planeta son muy abundantes, por lo que tendríamos tritio para miles de años.

El deuterio, se obtiene del hidrogeno que existe en el agua, por lo que se convierte en una fuente casi inagotable de combustible. En un litro de agua hay 33 miligramos de deuterio y si lo fusionásemos con el tritio, se obtendría una energía comparable a 350 litros de gasolina.

En un reactor de fusión la presencia de tritio es un aspecto de seguridad importante, por que es un gas radioactivo que en estado natural tarda 12 años en en volverse inocuo. Artificialmente se produce en el interior del reactor a partir de litio. Por ello, no hay que transportar el material radioactivo. Una central en funcionamiento, nunca se acumularía mucha cantidad de este elemento químico. Las paredes del reactor, se vuelven radioactivas, esta radioactividad desaparecerá totalmente en unos cincuenta años.

El proyecto ITER, demostrara que el método de fusión es viable científica y técnicamente. El ITER, tendrá que ser capaz de generar 500 MegaWatt de energía, durante un cierto tiempo. El proyecto, tendrá una función experimental, para probar tecnologías imprescindibles, para crear multitud de centrales de fusión industrial en todo el mundo. Para el año 2040 se estima, que estará terminado todo el proyecto de investigación. El ITER, producirá diez veces mas, que la energía que usa como combustible.

Los socios del proyecto ITER, liderados por la Unión Europea son: los Estados Unidos, China, Rusia, Japón y Corea del Sur.

CIEMAT es el referente de investigación española en el campo de la fusión nuclear. En junio 2005 los socios del proyecto ITER, han acordado construirlo en Francia y tendrá un costo de construcción de unos 4.7 mil millones de euros, pudiendo llegar el total de la financiación, a 15 mil millones de euros.

El ITER entrará en funcionamiento en unos 15 años y confiemos que para mediados de siglo, las nuevas generaciones puedan disfrutar de una energía, que no embargue el futuro de la humanidad.

TokamaK

Un TokamaK es un reactor de fusión, que tiene forma de cámara toroidal o cilindro anular toroide, algo parecido a una rosquilla sin extremos. Por su interior circula el plasma confinado, a más de 150 millones de grados, que es guiado desde el exterior, por un campo magnético, con la finalidad de que el plasma no toque las paredes del Tokamak y pierda temperatura.


El campo magnético de un Tokamak, se compone de:


1 - Silenoide central: Superconductor que induce la corriente en el plasma.

2 - Bobina toroidal: Superconductoras, confinan y estabilizan el plasma. Están situadas exteriormente en espiral alrededor del toroide.

3 - Bobina poloidal: Superconductoras, confinan y posicionan el plasma del toroide. Se posicionan en la parte más exterior, longitudinalmente al toroide.

4 - Cámara de vacío: Mantiene en vacio el plasma y es la primera barrera de confinamiento para el titrio que se encuentran en el interior del toroide.

Toroide

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Stellarators

Los Stellarators son reactor de fusión toroides con un campo magnético poloidal producido por bobinas exteriores al plasma. Su funcionamiento es continuo pues no existe ninguna corriente plasmática inductiva y no existe el riesgo de disrupciones al no tener corriente interna en el plasma.

Los actuales stellarators están dando buenos resultados, igualándose a los resultados obtenidos en tokamaks.

Existen tres tipos de stellarators:

1 - Torsatrons: Tienen bobinas helicoidales continuas.

2 - Modulares: Sus bobinas no son planas.

3 - Heliacs: Conjunto de bobinas planas circulares, distribuidas a lo largo de una Hélice enrollada alrededor de una bobina central circular


El plasma

Es el cuarto estado de la materia, es un gas ionizado, o sea, los núcleos están separados en dos tipos de partículas, iones (positivos) y electrones (negativos).De esta forma el plasma es un estado parecido al gas pero compuesto por electrones, cationes (iones con carga positiva) y neutrones, todos ellos separados entre sí y libres, por eso es un excelente conductor.


El confinamiento inercial

Se basa en la generación rápida de energía antes de que el plasma tenga tiempo de expandirse. El combustible a baja temperatura se calienta rápidamente desde la superficie, obteniendo como resultado, un plasma que se comprime hasta alcanzar densidades muy elevadas y temperaturas termonucleares. Esto da lugar a una combinación nuclear y el calor generado se expande hacia el exterior, calentando el plasma que encuentra.


El campo magnético

Trampa magnética toroidal

Tendrá sólo dos componentes, uno toroidal y otro poloidal


Los fundamentos magnéticos del confinamiento plasmático son:


1 - El campo magnético toroidal: Es el generado por las bobinas equidistantes que hay alrededor del toroide.

2 - El campo magnético poloidal: El producido por una corriente eléctrica que fluye en el interior del plasma, inducida principalmente por el silenoide central.

3 - El campo magnético helicoidal: Es el campo resultante de la suma de los campos toroidal y poloidal. Tiene forma de muelle enrolladlo sobre sí mismo.

4 - Electroimanes que inducen corriente en el plasma.

El campo toroidal

Se conforma con bobinas. El giro tridimensional del eje central de la configuración se genera mediante dos bobinas centrales: una circular y otra helicoidal. La posición horizontal del plasma se controla mediante las bobinas de campo vertical.

la trampa magnética

Se obtiene mediante varios conjuntos de bobinas (circular y helicoidal) que configuran totalmente las superficies magnéticas antes de generar el plasma.

La acción conjunta de estos campos magnéticos genera superficies magnéticas que guían las partículas del plasma para que no choquen con las paredes de la cámara. El plasma se calienta con microondas a la frecuencia ciclotrónica de los electrones e inyección de haces de átomos neutros de hidrógeno.

Enlaces externos y referencias

Obtenido de "Reactores de fusi%C3%B3n termonuclear por confinamiento magn%C3%A9tico"

Wikimedia foundation. 2010.

Mira otros diccionarios:

  • Fusión nuclear — Fusión de deuterio con tritio produciendo helio 4, liberando un neutrón, y generando 17,59 MeV de energía, como cantidad de masa apropiada convertida de la energía cinética de los productos, de acuerdo con E = Δm c2. En física nuclear, la fusión… …   Wikipedia Español

  • Tokamak — La palabra Tokamak, acrónimo del ruso тороидальная камера с магнитными катушками toroidal naya kamera s magnitnymi katushkami (en español cámara toroidal con bobinas magnéticas), El objetivo de este aparato es obtener la fusión de partículas de… …   Wikipedia Español

  • Energía nuclear — Saltar a navegación, búsqueda …   Wikipedia Español

  • ITER — Logotipo de la organización. El ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor, en español Reactor Termonuclear Experimental Internacional) es un proyecto de gran complejidad ideado, en 1986, para demostrar la factibilidad científica y… …   Wikipedia Español


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