Los responsables del proyecto ITER declaran que esperan tener el primer reactor de energía nuclear por fusión para el año 2030.

Las centrales nucleares actuales obtienen energía mediante la fisión nucelar, un método que además origina una serie de residuos difíciles de tratar y sus combustibles son relativamente caros.

Sin embargo, las centrales del futuro podrían obtener energía al igual que hacen las estrellas mediante el método de fusión nuclear.

FUSION VS FISION

Mediante la fusión nuclear dos núcleos ligeros se unen para formar otro núcleo más pesado generando gran cantidad de energía como producto de desecho.

El proceso de fisión nuclear, a diferencia, divide un núcleo, normalmente de Uranio a partir de un neutrón inicial generando una gran cantidad de energía.

Esquemas del proceso actual de fisión (inferior) y de fusión  con Isótopos de Hidrógeno

Esquemas del proceso actual de fisión (inferior) y de fusión  con Isótopos de Hidrógeno

El proceso de fusión desprende energía porque el peso del núcleo final es menor que la suma de los pesos de los núcleos más ligeros iniciales. Algo parecido a lo que sucede en la fisión, pero a la inversa. La suma de las masas de los núcleos de los productos finales de la fisión es mayor que la de los productos iniciales.

Este defecto de masa se transforma en energía (relacionadas mediante la fórmula E = mc2).  El defecto de masa es pequeño y genera una energía pequeña, pero tenemos que tener en cuenta que en un gramo de materia hay miles de millones de átomos, con lo que con una pequeña cantidad de combustible proporciona mucha energía. Dependerá por supuesto de la cantidad de combustible y el tipo de átomos a emplear, no todas la reacciones producen la misma cantidad de energía.

Centrándonos en el caso de la fisión nuclear, la reacción más fácil de conseguir es la de la última ilustración, Deuterio y Tritio. Ambos son isótopos del hidrógeno y se fusionarían entre sí para conseguir Helio. Tal reacción genera alrededor de 17,6MeV.

Se suele decir de la fusión que es una fuente de energía prácticamente inagotable, ya que el deuterio se encuentra en el agua de mar y el tritio es fácil de producir (a partir del neutrón que se produce en la reacción e hidrógeno molecular).

¿Métodos para realizar la fusión?

Esta reacción, es aparentemente sencilla,  pero eso no quiere decir que sea sencillo de lograr un saldo de energía positivo.

Unir los núcleos de dos átomos tiene un pequeño problema, y es que los núcleos siempre están cargados positívamente, y como sucedería con dos imanes del mismo polo, estos, cuanto más se acerquen, más se repelen.

Una posible solución sería acelerarlos en una acelerador de partículas y hacerlos chocar entre sí. Esto es efectivo, pero se acaba utilizando más energía en acelerarlos que la  que se obtendría como productor final. Así pues surgen dos posibles soluciones:

1.-Fusión por confinamiento inercial. Se comprimen esferas de combustible mediante haces de láseres o de partículas obteniendo así densidades muy elevadas. De este modo  los núcleos están muy cercanos entre ellos, y por el llamado efecto túnel se fusionan dando lugar al proceso de fusión y a la energía correspondiente.

2.-Fusión por confinamiento magnético. La otra forma de producir reacciones de fusión de manera que se gane energía es calentando el combustible hasta que este alcance temperaturas de millones de grados. Así se conseguiría que haya choques entre núcleos por agitación térmica (también aprovechando el efecto túnel).

Al estar a tan alta temperatura el combustible, este se disocia en partículas con cargas positivas y negativas, y se puede controlar mediante campos magnéticos.

Ventajas de la fusión

La fusión nuclear es un recurso energético potencial a gran escala y cuenta con grandes ventajas respecto a otros tipos de recursos. Los combustibles primarios son baratos, abundantes, no radioactivos, y están repartidos geográficamente por todo el globo, especialmente en el agua de lagos y océanos.

Es técnicamente seguro, el reactor sólo contiene combustible para los 10 segundos siguientes de cada operación, y a diferencia de la fisión, no origina reacciones en cadena. En cualquier momento se puede cerrar el suministro de combustible y no se descontrola.

La radiactividad del reactor (como consecuencia de los neutrones emitidos), puede ser minimizada escogiendo bien los materiales.

Por último, pero no menos importante, la fusión no contribuiría al llamado efecto invernadero ya que no produce vapor de agua, ni por supuesto C02, sólo produce Helio, un gas noble no nocivo.

Central de fisión de Trillo. Central nuclear tradicional

Central de fisión de Trillo. Central nuclear tradicional

Estado actual de la investigación sobre la fusión nuclear

Para demostrar que la fusión nuclear es factible, en 1986, se formó un consorcio internacional llamado ITER  (International Thermonuclear Experimental Reactor, en español Reactor Termonuclear Experimental Internacional) y su emplazamiento, como dijimos, se encuentra en el sur de Francia, concrétamente en Cadarache.

Hoy en día su objetivo pasa por probar todos los elementos necesarios para la construcción y funcionamiento de un reactor de fusión nuclear que serviría de demostración comercial, así como reunir los recursos tecnológicos y científicos de los programas de investigación desarrollados hasta la actualidad.

La fusión nuclear se realizará dentro del “Tokamak” (siglas rusas que en castellano significan “Cámara toroidal y bobina magnética”), una cámara de 24m de altura y 28m de diámetro, con forma de toroide (similar a un donut) y una capacidad de 837 m3.

Para lograr la fusión, se debe confinar un plasma muy caliente durante un determinado periodo de tiempo. Es necesario calentar un gas mezcla de deuterio y tritio a temperaturas aproximadamente 100 millones de grados centígrados, pasando a un estado llamado plasma.

Este reactor produce fuertes campos magnéticos producidos por grandes imanes superconductores que serán utilizados para confinar el plasma en una vasija del reactor que tiene forma de aro, fusión, a fin de cuentas, por confinamiento magnético.

Parece ser, tal y como anunció el pasado miércoles el director general del proyecto, que el desarrollo de la  primera planta de fusión nuclear estaría llevando un camino bastante óptimo y de ahí que se vaticine que, en su primera fase, esté terminada y funcional en el año 2030.

Cuando esté en funcionamiento, en el Reactor Experimental Termonuclear Internacional (ITER), circulará plasma en su núcleo a una temperatura 10 veces más caliente que el sol, estando rodeado por imanes tan fríos como el espacio interestelar. Toda una estrella en miniatura.

El objetivo, por supuesto es el de fusionar isótopos hidrógeno y generar así 10 veces más energía que la que entra.

El ITER pretende demostrar  que la fusión nuclear se puede generar a escala comercial y es sostenible, abundante, seguro y limpio.

“Con ITER y la energía de fusión, tenemos la oportunidad de dejar un legado poderoso y positivo para las generaciones futuras, en lugar de la perspectiva energética actual”, dijo Bernard Bigot, director general de ITER, a Live Science.

Una cantidad de átomos de hidrógeno del tamaño de una piña ofrecería tanta energía como 10.000 toneladas de carbón.

Captura de la web del proyecto ITER

Captura de la web del proyecto ITER

Como decimos, el que será el primer generador de energía por fusión generaría un saldo de energía positivo. Las futuras plantas de fusión nuclear podrán usar esta energía para impulsar las turbinas y generar electricidad.

El reactor experimental fusionará deuterio,  con tritio, ambos isótopos del Hidrógeno.

Las plantas de fusión usarán solo unos pocos gramos de combustible a la vez, por lo que no hay posibilidad de un accidente por fusión.

Aunque la energía de fusión tiene muchos beneficios potenciales, ha demostrado ser extraordinariamente difícil de lograr en la Tierra. Los núcleos atómicos requieren grandes cantidades de calor y presión antes de fusionarse.

Para superar ese gran desafío, ITER  calentará el hidrógeno a unos 150 millones de grados Celsisus, 10 veces más caliente que el núcleo de nuestro sol.

Esto generará lo que se llama un plasma de hidrógeno que además estará sobrecalentado y quedará confinado circulando dentro de un curioso reactor en forma de rosquilla, el llamado Tokamak.

El Tokamak está rodeado, como dijimos, por imanes superconductores gigantes que controlan el plasma cargado eléctricamente. Para que los imanes superconductores funcionen, deben enfriarse 269 grados Centígrados bajo cero, casi el cero absoluto y tan frío como el espacio interestelar.

Ya se está fabricando alrededor del mundo los diferentes componentes del reactor que medirá más de 17 metros de altura.

El ITER que está siendo construido por una asociación científica de 35 países. Todos los miembros del proyecto estarían recibiendo el mismo acceso a las innovaciones que se están llevando a cabo, y colaborarían, a partes iguales, en la propiedad intelectual del ingenio.

Fotograma del vídeo de la web del proyecto ITER. Proceso de Construcción

Fotograma del vídeo de la web del proyecto ITER. Proceso de Construcción

La idea de una asociación científica para construir una planta de fusión se concibió por primera vez en la Cumbre de Ginebra de 1985 entre Ronald Reagan y Mikhail Gorbachev. El proyecto ITER comenzó en serio en 2007, y originalmente debería haberse completado en 10 años por 5,600 millones de dólares. Sin embargo, el proyecto tiene más de una década de retraso y su costo estimado que se habría disparado a alrededor de 22 mil millones de dólares.

“Cuando el proyecto original de ITER fue establecido y aceptado por los miembros, entendieron que el diseño estaba casi completo y listo para la construcción, y que ni siquiera estaba cerca de ser preciso”, dijo William Madia, vicepresidente de la Universidad de Stanford. quien dirigió una revisión independiente de ITER en 2013.

ITER está ahora a mitad de camino hacia su objetivo inicial de circulación del plasma de hidrógeno.

“Definitivamente es un gran hito para nosotros”, dijo Bigot.

Bigot dijo que ITER sigue a tiempo para generar el primer plasma en 2025. Estarían trabajando constantemente para anticipar y mitigar los potenciales riesgos que podrían ocasionar demoras o costos adicionales. En los últimos dos años, habría cumplido todos los hitos y seguirían por el buen camino.

El Tokamak del ITER debería generar 500 megavatios de potencia, mientras que las plantas de fusión comercial albergarían reactores más grandes para generar de 10 a 15 veces más potencia, esto es hasta 7.500 megavatios.

Una planta de fusión de tan solo 2.000 megavatios podría suministrar electricidad a unos 2 millones de hogares, según un comunicado .

Siendo optimistas el proyecto conseguiría el llamado plasma en su fase ardiente para el año 2030.

Además, los científicos del ITER predicen que las plantas de fusión podrían comenzar a conectarse a la red en 2040 y que una planta de fusión de 2 Gigavatios línea, una vez construída, podría durar más de 60 años.

Los costes, lejos de lo que pudiera parecer, deberían se similares a los de las plantas de fisión actuales, unos 5000 millones de dólares por gigavatio.

Futura imagen artística de como se trataran los núcleos para realizar la fusión en el ITER

Futura imagen artística de como se trataran los núcleos para realizar la fusión en el ITER

Eso sí, construir una planta de fusión nuclear cuesta de momento más que construir una planta de combustibles fósiles, pero esto también se vería amortiguado porque en un futuro los costes de los combustibles de fusión serían insignificantes.

Los combustibles fósiles, además, tienen el inconveniente de ser agresivos con el medioambiente y  esto no pasa con la fusión.

En definitiva, si se cumplen los plazos, el de la fusión es un gran avance que, según los científicos, podremos empezar a conocer en unos 13 años,  veremos cuando se llegará a implantar.

Otro hito en la fusión nuclear, se realizó en 2013 cuando un grupo de científicos de la Universidad de California consiguieron el primer saldo energético positivo tras una reacción de fusión, eso sí, sin llegar a conseguir llegar al momento de la ignición, en qué el proceso de fusión se realimenta a sí mismo.

Puede que la energía ilimitada esté por fin en camino.

Fuentes y más info:

https://www.livescience.com/61132-first-fusion-plant-plasma-core-half-completed.html

https://www.iter.org/

http://www.foronuclear.org/es/el-experto-te-cuenta/122516-que-diferencia-hay-entre-fision-y-fusion-nuclear

Héctor Montoya

Héctor Montoya

Codirector de Planeta Incógnito at Planeta Incógnito
Diseñador Gráfico y Web, Héctor es probablemente el miembro más "cientificista" del grupo si no lo es ya de por sí Planeta Incógnito.
Acostumbrado a la búsqueda de documentación le encantan los enigmas científicos como podréis leer en muchos de sus artículos aí como en el programa de Radio
Héctor Montoya

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