A lo largo de varias décadas se han conseguido avances importantes en la fusión del hidrogeno, 1. Calentar el hidrogeno hasta millones de grados centígrados por radiofrecuencia o inyeccion de atomos neutros. 2. aumentar la capacidad de los electroimanes mediante bombas criogenicas cerca del 0º K. 3.contener el plasma caliente dentro de la vasija el reactor hasta varios segundos. Pero solo se puede aplicar a varios gramos de deuterio y/o tritio por cada encendido del reactor.
Las perdidas de energía inyectada y producida se suceden por : Inestabilidades del
plasma sobrecalentado, radiación neutrónica (traspasa la barrera electromagnetica) , falta de recogida de dicha energía por no existir mecanismos eficaces y sobre todo la ausencia de una reacción automantenida y controlable durante largo tiempo. El sol lo hace principalmente con el hidrogeno simple sin neutrones.
En estos dispositivos se utiliza sobre todo el isotopo deuterio (un solo neutron) y el
tritio (dos neutrones) . El empleo de estos isotopos conduce al mismo efecto que una bomba termonuclear. Es similar a domesticar tal bomba. Lo contrario que la energía de fisión del uranio 235 que espontáneamente se desintegra. Solo es necesario entonces concentrar el isotopo U 235 para iniciar una reaccion automantenida y moderar la velocidad de los neutrones con medios absorbentes como el grafito para generar energia neta (COP>1).
La comparación de estas maquinas con el sol nos lleva a pensar que nunca se podrá
utilizar este tipo de energía en la tierra.
A pesar del enorme numero de aparatos que se han ideado a lo largo de los años en todos los países de la tierra para fusionar el hidrogeno o sus isotopos , la COP (Coeficiente de Rendimiento o razón entre la energía suministrada y la obtenida) de todas estas maquinas esta muy lejos de llegar a uno, es decir que la energía inyectada sea igual a la energía saliente. Se ha conseguido fusionar el hidrogeno a unas temperaturas muy superiores a las del sol u otras estrellas, pero estas reacciones no se automantienen en cadena por lo que siempre hay que inyectar mas energía. Además los sistemas de confinamiento que en el sol es la gravedad, en estos aparatos son las fuerzas electromagnéticas , que no tienen nada que ver con dicha gravedad y son menos potentes.
Para hacerse una idea de las fuerzas repulsivas de los átomos de hidrogeno entre si
tenemos los conocidos criterios de Lawson (1). Daré una idea.
Donde n es la densidad de iones en el plasma
t es la temperatura de ignición critica.
S es el tiempo en segundos.
Podemos observar la magnitud energética de estas reacciones al ver el exponente de 10
(14 a 16) , y esto solo para que la energía desprendida sea igual a la suministrada COP= 1.
Hasta el momento NO se han cumplido estas condiciones en la tierra . Dicen que con el
tokamak ITER la COP sera de 10??. Luego, esta el peligro del PLASMAZO o escape no
controlado de toda la energía almacenada hacia las paredes o vasijas del reactor, lo que
destruiría de forma inmediata todo el edificio y sus alrededores. Los mayores tokamats
(aparatos para la fusión en forma de toroide) solo admiten de 4 a 5 gramos de deuterio o
tritio en una cavidad de 80 metros cúbicos a una presión de pocos milibares. EL ITER cargara unos 40 gr en 1000 metros cúbicos.
¿Como funciona un tokamak?
Tokamak
Para evitar que las partículas del plasma, choquen contra los extremos del reactor, científicos rusos inventaron el dispositivo . Fue ideado en los años 1950 por el fisico soviético Andréi Sájarov (padre de la bomba atomica rusa), basándose en las ideas propuestas por Oleg Lavrentiev en 1950.
Un Tokamak es un reactor termonuclear por confinamiento magnético, que tiene forma
de cámara toroidal , algo parecido a una rosquilla sin extremos. Es un tubo hueco, rodeado exteriormente con unas bobinas que hacen posible la trampa magnética. Por su interior circula el plasma confinado, a más de 150 millones de grados, guiado desde el exterior por un campo magnético, con la finalidad de que el plasma sea confinado y no toque las paredes lo cual causaría pérdida de temperatura. Para que el reactor sea seguro necesita presión baja con el fin de que la densidad del plasma también lo sea.
Tecnológicamente esto puede ser complicado, pero es indispensable para el buen funcionamiento del reactor. Si esta trampa magnética es lo suficientemente fuerte y sus
guías magnetizadas forman confinamientos aislantes, los iones y electrones permanecerán atrapados en estas vías magnéticas hasta que colisionen con otras partículas y se produzca la fusión. El campo magnético de un Tokamak está compuesto
por:
- Solenoide central: superconductor que induce la corriente en el plasma.
- Bobina toroidal: superconductora que confina y estabiliza el plasma. Está situada exteriormente en espiral alrededor del toroide.
- Bobina poloidal: superconductora que confina y posiciona el plasma del toroide. Se ubica en la parte más exterior, longitudinalmente al toroide.
- Cámara de vacío: mantiene en vacío el plasma. Es la primera barrera de confinamiento para el tritio y el deuterio. Se encuentra en el interior del toroide.
- Transformadores: conducen la electricidad que abastece a las bobinas toroidales y poloidales.
- Los componentes que ayudan a elevar la temperatura del plasma, hasta que alcance la temperatura crítica, son la inyección de haces o chorros de átomos neutros muy energéticos y la radiofrecuencia.
- Los Tokamak tienen varias criobombas, que trabajan bajo un frío extremo (helio liquido) para refrigerar los imanes de la trampa magnética, crear el vacío y así extraer mejor las cenizas del helio generado por la reacción de fusión de deuterio-tritio. Estas entran en funcionamiento una vez que las bombas mecánicas han vaciado la mayor parte de las moléculas de aire y las impurezas de la camara toroidal.
Stellarator
Fue inventado por Lyman Spitzer en 1950 y construido un año después en lo que más
tarde sería el Laboratorio de Princeton de Física de Plasma.
Los Stellarators son reactores de fusión toroidales con un campo magnético poloidal producido por bobinas exteriores al plasma. Es uno de los primeros dispositivos de confinamiento magnético diseñados. Su funcionamiento es continuo, pues no existe
corriente plasmática inductiva alguna, ni implica riesgo de interrupciones, por no existir
corriente interna en el plasma.
Stellarator es un dispositivo utilizado para confinar plasmas calientes mediante campos
magnéticos con el objetivo de mantener reacciones de fusión nuclear de forma
controlada.
Los resultados de los stellarators actuales han sido todo lo buenos que es de esperar e iguales a los obtenidos en tokamaks y serian prometedores a largo plazo, aunque su estudio va retrasado respecto a estos. En Alemania, han finalizado el montaje del Wendelstein 7-X (W 7 -X), un stellarator que tiene como objetivo la producción de 30 pulsos por minuto, una duración que sólo está limitado por la potencia de refrigeración de la instalación.
Fusión por confinamiento inercial
En el confinamiento inercial, el plasma es contenido a unas altas densidades, por un leve
margen de tiempo.
Esto se consigue inyectando una gran cantidad de energía sobre el combustible . Para
ello se utilizan haces de alta energía de luz láser, electrones o iones. La capa exterior se
calienta mucho y muy rápido, saliendo despedida hacia fuera al explosionar, empujando
y comprimiendo, al resto de capas interiores hacia el centro mediante ondas de choque,
alcanzando grandes temperaturas y creando la fusión.
Como combustible se utiliza una pequeña pastilla solida de deuterio-tritio. El núcleo
alcanza así una gran densidad. Ese gran aumento de temperatura, fuerza a que se creé la
fusión en un leve lapsus de tiempo. Las experimentaciones de este confinamiento se han
realizado mediante la fusión por láser, y la fusión de haz de iones.
Como vemos estos dispositivos son muy complejos, su construcción es muy cara y debe
ser extremadamente precisa. Además se gasta energía por múltiples mecanismos como son:
Extracción de todo el aire hasta pocos milibares de presión, calentamiento del plasma con
radiofrecuencia, etc a muchos millones de grados, refrigeración de los electroimanes a pocos
grados kelvin , para que haya superconductividad , extracción de las cenizas de la reacción ,etc lo que hace que la energía generada no sea superior a la introducida en el sistema. El
calentamiento del plasma y su fusión no pueden recogerse en su totalidad por los escapes a través de la pared magnética y la ineficiencia de la recogida del calor y radiación generados.
Aparte de ello no existe fusion automantenida.
¿Pero cuales son las condiciones en que la naturaleza ha resuelto el problema?:
Veremos la estructura de un reactor de fusión standard natural en el núcleo de nuestro sol.
El núcleo del Sol es la región que se considera desde el centro del Sol hasta alrededor
de 0,2 a 0,25 radios solares (R⊙)(2) Es la región con mayor temperatura en nuestra estrella y tiene una densidad de 150 g/cm³ (150 veces la densidad del agua en estado líquido), justo en el centro, y una temperatura de alrededor de 15 .7 millones de grados Kelvin (3) como
comparación, la superficie del Sol que se encuentra a aproximadamente 6000º K. El núcleo
solar está compuesto por gas denso y caliente en estado de plasma a una presión estimada de 2,7×1013 Kp en el centro. Las regiones dentro de 0,20 R⊙ se encuentra cerca del 34 % de la masa del Sol, pero únicamente 0,9 % de su volumen. Dentro de un radio de 0,25 R⊙, el núcleo genera el 99 % de la energía por fusión nuclear producida por el Sol.( 2) .
El núcleo solar produce casi todo el calor del Sol a través de la fusión nuclear.
El resto de la estrella es calentada por la transferencia hacia el exterior de calor desde el núcleo porque aproximadamente 3,8×1038 protones se convierten en núcleos de helio cada segundo, lo que libera energía a razón de 3,86×1026 W.(2) La energía producida por la
fusión en el núcleo a excepción de una pequeña parte transportada por los neutrinos debe viajar a través de muchas capas sucesivas hasta la fotosfera, antes de escapar al espacio como luz solar (fotones de todo tipo de frecuencia) o energía cinética de partículas.
La producción de energía es máxima en el centro geométrico del sol y es próxima a
280 W/m3 (4),sin embargo, es igual o menor que la densidad de potencia producida en
animales de sangre caliente. Su enorme liberación de energía es por su volumen y masa.
(5,6).
Como vemos es un reactor ¨tranquilo ÿ pasando del 25 % del radio cesa bruscamente la
producción de energía .
Las reacciones que generan esta energía son :
Cadena Protón -Protón y sus variantes (90%) (7)
H+H = Deuterio+ electron+ neutrino (Reaccion que tarda 109 años)(decaimiento
beta) Deuterio+Helio = Helio + rayos gamma (Reaccion de 4 segundos)(fuerza nuclear
fuerte) Helio3+Helio3 = Helio4 + H+H (Reacion de 400 años) (fuerza nuclear fuerte)
Cadena Carbono-Nitrogeno-oxigeno (8,9) Genera solo el 10% de la energia del sol ,pero es mas importante en estrellas muy masivas.
Como vemos, la energia del sol se exterioriza por medio de fotones de todo tipo
desde los gamma a los infrarojos y la luz visible ,ademas de protones acelerados y
neutrinos .
Tambien se ve en menor proporcion la quema del helio y el proceso triple alfa.
El proceso triple alfa es el proceso por el cual tres núcleos de helio (partículas alfa) se
transforman en un nucleo de carbono.
Esta reacción nuclear de fusión solo ocurre a velocidades apreciables y temperaturas por
encima de 100 millones de kelvin y en núcleos estelares con una gran abundancia de helio. Por tanto, este proceso solo es posible en las estrellas más viejas, donde el helio producido por las cadenas protón-protón y el ciclo CNO se ha acumulado en el núcleo. Cuando todo el hidrógeno presente se ha consumido, el núcleo se colapsa hasta que se alcanzan las temperaturas necesarias para iniciar la fusión de helio.
4He + 4He ↔ 8Be
8Be + 4He ↔ 12C + γ + 7,367 MeV
La energía neta liberada en el proceso es de 7,275 MeV ( 10 )
Todo ello nos revela la complejidad de las reacciones de fusion nuclear, y sobre todo lo
concerniente a reaciones en cadena que son imprescindibles para que la produccion de
energia tenga un indice COP superior a uno. Eso no se puede lograr en la tierra, solo se puede al alcanzar el punto de ignicion , lo que equivale a intentar dominar la energia liberada por una bomba termonuclear (hidrogeno +deuterio+ tritio) . En ella, la reaccion en cadena iniciada por una bomba de fision clasica no se puede moderar de ninguna manera. La utilizacion de deuterio y/o tritio conduce inexorablemente a una liberacion de energia no
controlable.
La historia da la razon a estas consideraciones y siempre las soluciones al problema
segun los fisicos esta a 50 años vista. LO DIJERON HACE MAS DE 70 AÑOS.
Esto nos hace considerar si merece la pena gastar enormes sumas de dinero en esta
tentativa que tiene minimas posibilidades de exito. Los Estados Unidos se fijaron en la fusion del hidrogeno de tipo inercial mediado por laser. Ahi, el interes no estaba en lograr una fusion nuclear con COP >1. Su interes estaba en desarrollar laseres muy potentes para una posible utilizacion militar. Fue en epoca de Regan durante el proyecto de la guerra de las galaxias.
BIBLIOGRAFIA
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- García, Ra; Turck-Chièze, S; Jiménez-Reyes, Sj; Ballot, J; Pallé, Pl;
Eff-Darwich, A; Mathur, S; Provost, J (2007). Tuouile.
Bibcode:2007Sci…316.1591G. doi:10.1126/science.1140598 - Karttunen et al. (2007), p. 263
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Bureau of Meteorology. Com
Table of temperatures, power densities, luminosities by radius in the sun
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10.Fred Hoyle le mostró su idea al físico nuclear William Fowler, y colaboradores que
demostraron experimentalmente la reaccion poco después de la sugerencia
de Hoyle,
F. Hoyle, D. N. F. Dunbar, W. A. Wensel, W. Whaling, Phys. Rev. 92, 649 (1953).
