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¿Qué es la fusión nuclear?






Nociones básicas de fusión nuclear

La fusión es una reacción a nivel atómico por la cual los núcleos de dos elementos livianos se unen para producir un solo núcleo rápido y más pesado. Hay una pequeña diferencia de masa entre el estado inicial de la reacción y los productos resultados en la reacción final. Esta masa faltante se convierte en energía a través de la ecuación de Einstein (E = mc2). La energía resultante de la reacción se presenta en forma de energía cinética de las partículas resultantes y puede convertirse en electricidad mediante tecnologías convencionales.

Para que este tipo de reacción se produzca los átomos deben tener la suficiente energía cinética para romper la barrera de repulsión electrostática que existe entre ellos. Para ello, las partículas deben ser calentadas a temperaturas extremadamente altas, más que la temperatura en el núcleo del sol. A temperaturas tan altas la materia permanece en estado de plasma.

La fusión de laboratorio se produce entre núcleos de dos isótopos de hidrógeno: el deuterio y el tritio. En la reacción de fusión se produce un núcleo de helio y un neutrón. La reacción produce 17,6 MeV de energía, de los cuales el helio lleva 3,5 MeV y el neutrón recibe los 14,1 MeV restantes. La reacción puede ser auto-sostenida si parte de la energía cinética resultante permanece en el plasma y se utilizada para mantener las elevadas temperaturas requeridas para sostener las reacciones de fusión.

El mejor ejemplo de la reacción de fusión en la naturaleza es el mismo sol, donde los núcleos de hidrógeno -aplastados por la fuerza gravitatoria- se funden en una cadena de reacciones para producir helio y liberar energía (figura 2). Si comparamos las reacciones que se producen en el núcleo del sol, la fusión nuclear en laboratorio es más sencilla de lograr si se utilizan deuterio y tritio (figura 1), porque esta se produce a temperaturas relativamente bajas.




¿Qué es necesario para que se realice la fusión?

En la reacción nuclear que se lleva a cabo en el sol, las partículas están muy unidas entre sí por la acción de la presión que ejerce la fuerza gravitatoria en el núcleo. En la tierra se necesita un esfuerzo enorme para mantener unidas a las partículas. Esta labor de confinamiento del plasma insume enormes cantidades de energía puesto que no se cuenta naturalmente con las condiciones del núcleo del sol. Para que se produzca la fusión, por tanto, es necesario que:

- El confinamiento del plasma en un campo magnético,
- Alcanzar la temperatura de fusión. (170.000.000º C),
- Sostener las dos condiciones anteriores hasta que la fusión se produzca y se auto sostenga.


La energía de fusión, cuando esté disponible, será prácticamente una fuente abundante e ilimitada de energía. Por ejemplo, sólo un kilogramo de combustible DT liberaría 108 kWh de energía, suficiente para alimentar una estación de energía eléctrica de 1GW para un día.

A su vez, el deuterio está contenido de forma natural en el agua, en una proporción de un átomo de D en 6700 átomos de H y se pueden separar. El tritio es inestable por naturaleza, con una vida media de alrededor de 12 años, y tiene que ser fabricado a partir de litio. El litio esta disponible en toda la corteza terrestre.

La fusión consume pequeñas cantidades de estos combustibles y se estima que a la tasa de consumo energético que llevamos se dispone de deuterio y tritio por 30 millones de años.

También existen otras reacciones posibles entre diferentes isotopos de hidrógeno y algunos otros elementos como boro o litio como se muestra en la siguientes imagen.




Experimentos de fusión

Hasta el momento, los experimentos más significativos de fusión han sido los tokamaks: logrados en una maquina basada en la fusión por confinamiento magnético. Los tokamaks representan hasta el momento el mejor diseño para el desarrollo de un reactor de fusión.

Estos desarrollos fueron descubiertos y desarrollados originalmente en la antigua Unión Soviética, pero rápidamente fueron derivadas versiones prometedoras en otros países. Entre ellas se encuentra el “Tokamak JET” (Joint European Torus), en Culham, Reino Unido. Este es uno de los tokamaks más importantes del mundo y ha llegado a producir 16 MW de potencia en los experimentos.

En un tokamak, el plasma queda confinado dentro de una jaula magnética de forma toroidal. Los campos magnéticos son producidos por enormes bobinas que rodean el plasma y ayudan a confinarlo caliente lejos de las paredes. El plasma es calentado para alcanzar las condiciones de fusión hasta cercanos los 200 millones de grados centígrados. Esto se logra mediante la inyección de un rayo de partículas de alta energía que es absorbido por el plasma.




En Caradache, Francia, se está construyendo el Tokamak mas grande jamás diseñado. Pertenece al proyecto ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor). Fue iniciado en el año 1986 y costará más de 10.000 millones de dolares. Es el tercer proyecto tecnológico más grande y costoso de la historia: sólo superado por la Estación Espacial Internacional y el Proyecto Manhatan.

Participan en el desarrollo Rusia, Estados Unidos, Canadá, La Unión Europea, China, India, Corea del Sur y Japon. Se espera que para el 2018 se consigan las primeras reacciones nucleares de fusión y para el 2022 este plenamente operativo.





link: https://www.youtube.com/watch?v=KeL0bw6nbR4


No confundir FUSIÓN con FISIÓN (prácticamente es un núcleo atómico dividido por neutrones, lo cual libera mucha energía)





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