LA ENERGÍA DEL TERCER MILENIO

¡YA ESTA A NUESTRO ALCANCE!

YA NO DEPENDEREMOS DEL PETRÓLEO

Nueva Energía Atómica "Limpia".

(No produce residuos radioactivos)

 

¿Quiere saber como y cuando?
Utilizando reacciones de Fusión atómica en lugar de Fisión que se utiliza en la actualidad.
La Fusión consiste en pegar núcleos de átomos pequeños (Hidrógeno)
La Fisión consiste en romper átomos grandes (Uranio).
Los detalles se explican en el siguiente artículo.
El cuando, también.

(Traducción libre de un artículo del Dr. Creig Freudenrich publicado en la página Web de"Howstuffworks" el 17 de agosto de 2005))

Por Víctor Cires G.

Como trabajan los Reactores de Fusión.
Los reactores de fusión, que han tenido mucha publicidad últimamente, porque producirán energía atómica "limpia" (que no emiten radioactividad, ni producen desperdicios radioactivos), son la fuente de grandes cantidades de energía porque utilizan "combustibles" abundantes en la naturaleza (agua de mar).

Todavía no se ha podido poner en práctica la tecnología necesaria, pero reactores que funcionen se ven próximos en el horizonte de los físicos. Ya existen en estado experimental en laboratorios de Europa y Estados Unidos.
Un consorcio formado por Estados Unidos, Rusia, la Unión Europea y Japón, ha propuesto construir un reactor de fusión en Cadarache (Francia) llamado ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor).para demostrar la factibilidad de utilizar una reacción sostenida de fusión atómica para producir energía eléctrica.

 

Ubicación de la planta de ITER en Cadarache, Francia.


Cómo trabajan los Reactores
Los reactores actuales utilizan fisión nuclear (Rompimiento de átomos) para generar energía.
Será una energía limpia, más segura y eficiente que la fisión nuclear.
Varias reacciones ocurren en la fusión de átomos:
Sucede en el centro del Sol y las Estrellas y en la bomba de hidrógeno, donde dos protones se unen para formar deuterio (un isótopo de hidrógeno).
Cuerpos celestes grandes como el Sol y las Estrellas, están formados casi exclusivamente de Hidrógeno y su gravedad es tan grande en el centro de las mismas que se producen enormes presiones en la materia (Hidrógeno) que eleva su temperatura a millones de grados, juntando los núcleos de los átomos (Protones) hasta que los llegan a soldar (Fusión).
En la bomba de Hidrógeno esta enorme presión y temperatura se produce en la explosión de una bomba nuclear de fisión (Bomba Atómica), en el centro de la cual estalla la (bomba de Hidrógeno).
En el laboratorio solamente es necesario poner Hidrógeno en un recipiente y someterlo a presión enorme y temperatura del orden de 1,000,000 de grados Kelvin (casi igual que los centígrados).
No sabían los científicos como hacer tal recipiente ni como someter el Hidrógeno a tales presiones y temperaturas en forma segura y no destructiva...¡Hasta ahora!

Cómo funcionará el reactor de ITER.

Isótopos:
Son átomos de un mismo elemento que tienen el mismo número de protones y electrones, pero diferente número de neutrones.
Los isótopos del Hidrógeno son:
Protio.- Es un isótopo de Hidrógeno que tiene un Protón y un Electrón y no tiene neutrones; es la forma de materia más común en el Universo.
Deuterio.- Isótopo de Hidrógeno con un Protón, un Electrón y un Neutrón.
Tritio.- Isótopo de Hidrógeno con un Protón, un Electrón y dos Neutrones, es radioactivo, cuya vida media es de 10 años. El Tritio no ocurre en la naturaleza, pero se puede fabricar bombardeando Litio con Neutrones.

Los del Helio son:
Helio-3.- Isótopo de Helio con dos Protones, dos electrones y un Neutrón.
Helio 4.- La forma más común de Helio que se encuentra en la Naturaleza. Tiene dos Protones, dos Neutrones y dos Electrones.

Física de las reacciones nucleares:

Cadena Protón Protón:
1.- Se utilizan dos pares de Protones para hacer dos átomos de Deuterio.
2.- Cada átomo de Deuterio se combina con un Protón para formar un átomo de Helio-3.
3.- Dos átomos de Helio-3 se combinan para formar Berilio-6 que es inestable.
4.- El Berilio.6 se transforma y produce dos átomos de Helio-4.

Estas reacciones producen partículas (Protones, electrones, neutrinos y positrones) de alta energía y radiaciones de luz (Rayos Gamma).

Cadena Deuterio-Deuterio:
Dos átomos de Deuterio se combinan para formar un átomo de Helio-3 y un Neutrón.

Cadena Deuterio-Tritio:
Un átomo de Deuterio y un átomo de Tritio se combinan para formar un átomo de Helio-4 y un Neutrón. La mayor parte de su energía escapa en forma de un Neutrón de alta velocidad.

En realidad efectuar las reacciones de fusión en un Reactor no son difíciles, el problema es como controlarlas en forma no destructiva.

Condiciones para la fusión nuclear:
Para efectuar una fusión de Hidrógeno, deben juntarse sus núcleos, pero cada Protón del núcleo trata de repeler al otro por tener cada uno una carga eléctrica positiva.
Para lograr la fusión debe vencerse esta fuerza de repulsión.

Temperatura alta.- O sea alta velocidad para lanzar un núcleo a alta velocidad contra el otro y de esta forma vencer la fuerza de repulsión. La fusión requiere de temperaturas del orden de 100 millones de grados Kelvin.
A estas temperaturas el Hidrógeno deja de ser gas y se convierte en plasma. Plasma es un estado de alta energía de la materia en la cual los electrones se separan de las órbitas delos núcleos y vagan libres entre ellos.
En las estrellas estas temperaturas se alcanzan, pues debido a su tamaño tienen gran fuerza de gravedad que comprime su masa en el centro de la estrella.
En el laboratorio se pueden producir estas temperaturas con microondas, lasers y partículas iónicas.

Presión alta.- Que comprima los átomos hasta una distancia menor de 1*10-15 metros.
Las estrellas tienen su gran masa y fuerza de gravedad que comprimen sus átomos en el centro a estas presiones.
En el laboratorio podemos producir estas presiones utilizando campos magnéticos poderosos, rayos laser de alta intensidad y emisores de iones.
Con la tecnología actual solamente se puede obtener en el laboratorio presiones y temperaturas suficientes para efectuar la cadena Deuterio-Tritio.
La temperatura de la fusión Deuterio-Deuterio requiere mayor temperatura que la lograda hasta ahora. Esta reacción es mejor porque produce más energía y además es más fácil extraer Deuterio del agua del mar que hacer Tritio del Litio.

Confinamiento.
Hasta ahora hay dos formas para producir las temperaturas y presiones necesarias para que tenga lugar la reacción de fusión del Hidrógeno:

Confinamiento magnético.-
Utiliza campos eléctricos y magnéticos para calentar y oprimir el plasma de Hidrógeno. El proyecto ITER de Francia utiliza éste método.

Confinamiento inercial.-
Utiliza rayos laser y de iones para calentar y oprimir el plasma de Hidrógeno. Científicos del "National Ignition Facility" del laboratorio de Lawrence Livermore, utilizan éste método.

Como trabaja el confinamiento magnético:
Microondas, electricidad y partículas neutras de un acelerador de partículas calientan un chorro de gas de Hidrógeno. El calentamiento convierte al gas en plasma que es comprimido por electroimanes con bobinas seperconductoras, permitiendo que ocurra la fusión. La forma más adecuada para contener y confinar dicho plasma es una toroide .
 

Un reactor de este tipo se llama Tohamak.

El Tohamak de ITER será un reactor autocontenido cuyas partes podrán quitarse o ponerse sin necesidad de desarmarlo todo para su mantenimiento, tendrá un diámetro interno de 2 metros y externo de 6.2.
 

Proceso de reactor con confinamiento magnético.


1.- La fusión del reactor calentará un chorro de combustible de Tritio y Deuterio para producir plasma de alta temperatura que será calentado hasta que la fusión ocurra.
En ITER para lograr la fusión, el reactor requerirá alrededor de 70 Megawatts, pero la potencia entregada por el reactor será de 500 Megawatts.
La reacción del reactor durará de 300 a 500 segundos, pero eventualmente se logrará una reacción continua.

2.- La chaqueta de Litio que rodea a la cámara de reacción de plasma absorberá los Neutrones de alta energía generados en la reacción y se calentará por estos Neutrones.

3.- El calor será transferido a un cambiador de calor de agua y se producirá vapor de agua.

4.- El vapor accionará turbinas para producir energía eléctrica.

5.- El vapor condensado en la turbina regresará al cambiador de calor.

Inicialmente en el Tokamak de ITER se probará la funcionalidad de una reacción de fusión sostenida y eventualmente será una planta de fusión.
 

Tokamak de ITER.


Vacuum Vessel (Cámara al vacío): Sostiene al plasma y mantiene la cámara de reacción al vacío.

Neutral beam injector (Sistema de Ciclotrón de iones): Inyecta partículas del acelerador en el plasma para mantener el plasma arriba de la temperatura crítica.

Magnetic field coils (Bobinas Toroidal y poloidal): Bobinas magnéticas superconductoras para confinar el plasma usando un campo magnético.

Central solenoid (Primario del transformador): Suministra energía a las bobinas electromagnéticas.

Cryostat (Equipo de enfriamiento): Para enfriar los electroimanes.

Blanket modules (Hechas de Litio): Absorben los neutrones de alta energía producidos por la reacción de fusión.

Divertors (Diversores): Extraen los productos de la reacción de fusión.

Cómo trabaja el confinamiento Inercial:
La National Ignition Facility (NIF) del laboratorio Lawrence Livermore está experimentando usando lasers para producir la fusión.
En NIF, 195 rayos laser se enfocarán a un punto en una cámara de 10 metros de diámetro llamada Hohiraum.
Un Hohiraum es una cavidad cuyas paredes están en equilibrio dinámico con la energía radiada dentro de la cavidad.
 

Esquema del proceso NIF.

 


Amplificación de rayos laser.


En el punto focal de la cámara se colocará una cápsula cilíndrica de plástico que contiene Deuterio-Tritio.
La energía de los lasers de 1.8 millones de joules calentará esta cápsula que generará Rayos X.
El calor de radiación convertirá a la cápsula en plasma y la comprimirá hasta que ocurra la fusión.
La fusión será de corta vida (1 millonésimo de segundo) pero proporcionará de 50 a 100 veces la energía necesaria para iniciarla.
Un reactor de este tipo tendrá blancos múltiples que se prenderán sucesivamente para generar una producción de calor sostenida.
Los científicos estiman que el costo de cada blanco costará aproximadamente Dll 0.25 haciendo la planta costeable.
 

Fuentes de información:

• CPEP: Fusion - Physics of a Fundamental Energy Source. http://fusedweb.pppl.gov/CPEP/Chart.html

• Fusion Reactors http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/nucene/fusrea.html

• Lawrence Livermore Laboratory Science & Technology Review: The National Ignition Facility Comes to Life http://www.llnl.gov/str/September03/Moses.html

• Lawrence Livermore Laboratory Science & Technology Review: The NIF Target Chamber - Ready for the Challenge http://www.llnl.gov/str/May01/Sawicki.html

• Lawrence Livermore Laboratory Science & Technology Review: On Target Designing for Ignition http://www.llnl.gov/str/Haan.html

• LLNL: Inertial Fusion Energy: Opportunity for Fusion Innovation http://www.llnl.gov/nif/library/ife.pdf

• National Ignition Facility Project: How NIF Works http://www.llnl.gov/nif/project/nif_works.html

• Peterson, Per F. "Inertial Fusion Energy: A Tutorial on the Technology and Economics." http://www.nuc.berkeley.edu/thyd/icf/IFE.html

• Princeton Plasma Physics Laboratory http://www.pppl.gov/index.html

• Princeton Plasma Physics Laboratory: Operate Your Own Tokamak Reactor http://w3.pppl.gov/~dstotler/SSFD/

• Project ITER http://www.iter.org

• Rostoker, N et. al., (1997) Colliding Beam Fusion Reactor, Science 278: 1419-1422

• Science Museum (UK) Online: Fusion http://www.sciencemuseum.org.uk/on-line/fusion/index.asp

• University of California Irvine: Fusion Energy and Pulsed Power Research http://fusion.ps.uci.edu/

• US DOE Office of Science: Fusion Energy Sciences http://wwwofe.er.doe.gov/Sub/Organization/program_offices/Fusionflier.pdf

• US DOE Office of Fusion Energy Sciences http://www.ofes.fusion.doe.gov/

• Virtual National Laboratory: Tutorial on Heavy-Ion Fusion Energy http://hif.lbl.gov/tutorial/tutorial.html

• World Nuclear Association: Nuclear Fusion Power http://www.world-nuclear.org/info/inf66.htm