¿Tiene futuro la energía termonuclear?

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Última modificación: 2023-12-16 16:02

Durante más de medio siglo, los científicos han estado intentando construir una máquina en la Tierra, en la que, como en las entrañas de las estrellas, tiene lugar una reacción termonuclear. La tecnología de fusión termonuclear controlada promete a la humanidad una fuente casi inagotable de energía limpia. Los científicos soviéticos estuvieron en el origen de esta tecnología, y ahora Rusia está ayudando a construir el reactor de fusión más grande del mundo.

Las partes del núcleo de un átomo se mantienen unidas por una fuerza colosal. Hay dos formas de liberarlo. El primer método consiste en utilizar la energía de fisión de grandes núcleos pesados del extremo más alejado de la tabla periódica: uranio, plutonio. En todas las centrales nucleares de la Tierra, la fuente de energía es precisamente la desintegración de núcleos pesados.

Pero también hay una segunda forma de liberar la energía del átomo: no dividir, sino, por el contrario, combinar los núcleos. Al fusionarse, algunos de ellos liberan incluso más energía que los núcleos de uranio fisible. Cuanto más liviano sea el núcleo, más energía se liberará durante la fusión (como dicen, fusión), por lo que la forma más efectiva de obtener la energía de la fusión nuclear es forzar a los núcleos del elemento más liviano, el hidrógeno, y sus isótopos a fusionarse..

Estrella de la mano: profesionales sólidos

La fusión nuclear se descubrió en la década de 1930 al estudiar los procesos que tienen lugar en el interior de las estrellas. Resultó que las reacciones de fusión nuclear tienen lugar dentro de cada sol, y la luz y el calor son sus productos. Tan pronto como esto quedó claro, los científicos pensaron en cómo repetir lo que está sucediendo en las entrañas del Sol en la Tierra. En comparación con todas las fuentes de energía conocidas, el "sol de la mano" tiene una serie de ventajas indiscutibles.

Primero, el hidrógeno ordinario le sirve como combustible, cuyas reservas en la Tierra durarán muchos miles de años. Incluso teniendo en cuenta el hecho de que la reacción no requiere el isótopo más común, el deuterio, un vaso de agua es suficiente para suministrar electricidad a una pequeña ciudad durante una semana. En segundo lugar, a diferencia de la combustión de hidrocarburos, la reacción de fusión nuclear no produce productos tóxicos, solo helio, un gas neutro.

Ventajas de la energía de fusión

Suministros de combustible casi ilimitados. En un reactor de fusión, los isótopos de hidrógeno (deuterio y tritio) funcionan como combustible; también puede utilizar el isótopo helio-3. Hay mucho deuterio en el agua de mar; se puede obtener mediante electrólisis convencional, y sus reservas en el océano mundial durarán unos 300 millones de años con la demanda actual de energía de la humanidad.

Hay mucho menos tritio en la naturaleza, se produce artificialmente en reactores nucleares, pero se necesita muy poco para una reacción termonuclear. Casi no hay helio-3 en la Tierra, pero hay mucho en el suelo lunar. Si algún día tenemos energía termonuclear, probablemente será posible volar a la luna en busca de combustible.

Sin explosiones. Se necesita mucha energía para crear y mantener una reacción termonuclear. Tan pronto como se detiene el suministro de energía, la reacción se detiene y el plasma calentado a cientos de millones de grados deja de existir. Por lo tanto, es más difícil encender un reactor de fusión que apagarlo.

Baja radiactividad. Una reacción termonuclear produce un flujo de neutrones que se emiten desde la trampa magnética y se depositan en las paredes de la cámara de vacío, haciéndola radiactiva. Al crear una “manta” especial alrededor del perímetro del plasma, desacelerando los neutrones, es posible proteger completamente el espacio alrededor del reactor. La propia manta inevitablemente se vuelve radiactiva con el tiempo, pero no por mucho tiempo. Dejándolo reposar durante 20-30 años, puede volver a obtener material con una radiación de fondo natural.

Sin fugas de combustible. Siempre existe el riesgo de fuga de combustible, pero un reactor de fusión requiere tan poco combustible que incluso una fuga completa no amenaza el medio ambiente. El lanzamiento de ITER, por ejemplo, requeriría solo unos 3 kg de tritio y un poco más de deuterio. Incluso en el peor de los casos, esta cantidad de isótopos radiactivos se disipará rápidamente en el agua y el aire y no causará daño a nadie.

Sin armas. Un reactor termonuclear no produce sustancias que puedan usarse para fabricar armas atómicas. Por tanto, no hay peligro de que la propagación de la energía termonuclear conduzca a una carrera nuclear.

Cómo encender el "sol artificial", en términos generales, quedó claro ya en los años cincuenta del siglo pasado. A ambos lados del océano, se realizaron cálculos que establecieron los principales parámetros de una reacción de fusión nuclear controlada. Debería tener lugar a una temperatura enorme de cientos de millones de grados: en tales condiciones, los electrones se desprenden de sus núcleos. Por lo tanto, esta reacción también se llama fusión termonuclear. Los núcleos desnudos, chocando entre sí a velocidades vertiginosas, superan la repulsión de Coulomb y se fusionan.

Problemas y soluciones

El entusiasmo de las primeras décadas chocó contra la increíble complejidad de la tarea. El lanzamiento de la fusión termonuclear resultó ser relativamente fácil, si se realiza en forma de explosión. Los atolones del Pacífico y los sitios de prueba soviéticos en Semipalatinsk y Novaya Zemlya experimentaron todo el poder de una reacción termonuclear ya en la primera década de la posguerra.

Pero usar este poder, excepto para la destrucción, es mucho más difícil que detonar una carga termonuclear. Para utilizar la energía termonuclear para generar electricidad, la reacción debe realizarse de forma controlada para que la energía se libere en pequeñas porciones.

¿Cómo hacerlo? El entorno en el que tiene lugar una reacción termonuclear se llama plasma. Es similar al gas, solo que a diferencia del gas normal, está formado por partículas cargadas. Y el comportamiento de las partículas cargadas se puede controlar mediante campos eléctricos y magnéticos.

Por lo tanto, en su forma más general, un reactor termonuclear es un coágulo de plasma atrapado en conductores e imanes. Evitan que el plasma se escape y, mientras lo hacen, los núcleos atómicos se fusionan dentro del plasma, como resultado de lo cual se libera energía. Esta energía debe eliminarse del reactor, usarse para calentar el refrigerante, y debe obtenerse electricidad.

Trampas y fugas

El plasma resultó ser la sustancia más caprichosa a la que tuvo que enfrentarse la gente en la Tierra. Cada vez que los científicos encontraban una forma de bloquear un tipo de fuga de plasma, se descubría uno nuevo. Toda la segunda mitad del siglo XX se dedicó a aprender a mantener el plasma dentro del reactor durante un tiempo significativo. Este problema empezó a ceder sólo en nuestros días, cuando aparecieron potentes ordenadores que permitieron crear modelos matemáticos del comportamiento del plasma.

Todavía no hay consenso sobre qué método es mejor para el confinamiento de plasma. El modelo más famoso, el tokamak, es una cámara de vacío en forma de rosquilla (como dicen los matemáticos, un toro) con trampas de plasma por dentro y por fuera. Esta configuración tendrá la instalación termonuclear más grande y cara del mundo: el reactor ITER actualmente en construcción en el sur de Francia.

Además del tokamak, hay muchas configuraciones posibles de reactores termonucleares: esféricos, como en el Globus-M de San Petersburgo, esteladores curvos extrañamente (como el Wendelstein 7-X en el Instituto Max Planck de Física Nuclear en Alemania), láser trampas inerciales, como la NIF estadounidense. Reciben mucha menos atención de los medios que el ITER, pero también tienen grandes expectativas.

Hay científicos que consideran que el diseño del stellarator es fundamentalmente más exitoso que el tokamak: es más barato de construir y el tiempo de confinamiento del plasma promete dar mucho más. La ganancia de energía la proporciona la geometría de la propia trampa de plasma, que permite deshacerse de los efectos parásitos y las fugas inherentes a la "rosquilla". La versión bombeada por láser también tiene sus ventajas.

El combustible de hidrógeno que contienen se calienta a la temperatura requerida mediante pulsos de láser y la reacción de fusión comienza casi instantáneamente. El plasma en tales instalaciones se mantiene por inercia y no tiene tiempo para dispersarse; todo sucede muy rápido.

El mundo entero

Todos los reactores termonucleares que existen hoy en el mundo son máquinas experimentales. Ninguno de ellos se utiliza para generar electricidad. Ninguno ha logrado aún cumplir el criterio principal para una reacción termonuclear (criterio de Lawson): obtener más energía de la que se gastó en crear la reacción. Por tanto, la comunidad mundial se ha centrado en el gigantesco proyecto ITER. Si se cumple el criterio de Lawson en el ITER, será posible perfeccionar la tecnología e intentar transferirla a los rieles comerciales.

Ningún país del mundo podría construir ITER solo. Necesita 100 mil km de cables superconductores solo, y también decenas de imanes superconductores y un solenoide central gigante para contener el plasma, un sistema para crear un alto vacío en un anillo, enfriadores de helio para imanes, controladores, electrónica … Por lo tanto, el El proyecto está construyendo 35 países y más a la vez miles de institutos científicos y fábricas.

Rusia es uno de los principales países que participan en el proyecto; en Rusia se están diseñando y construyendo 25 sistemas tecnológicos del futuro reactor. Se trata de superconductores, sistemas para medir parámetros de plasma, controladores automáticos y componentes del desviador, la parte más caliente de la pared interior del tokamak.

Después del lanzamiento de ITER, los científicos rusos tendrán acceso a todos sus datos experimentales. Sin embargo, el eco del ITER no solo se hará sentir en la ciencia: ahora en algunas regiones han aparecido instalaciones de producción, que en Rusia no existían antes. Por ejemplo, antes del inicio del proyecto, no había producción industrial de materiales superconductores en nuestro país, y solo se producían 15 toneladas por año en todo el mundo. Ahora, solo en la Planta Mecánica de Chepetsk de la corporación estatal "Rosatom" es posible producir 60 toneladas por año.

El futuro de la energía y más allá

Está previsto que el primer plasma del ITER se reciba en 2025. El mundo entero está esperando este evento. Pero una máquina, incluso la más poderosa, no lo es todo. En todo el mundo y en Rusia, continúan construyendo nuevos reactores termonucleares, que ayudarán a comprender finalmente el comportamiento del plasma y encontrar la mejor manera de usarlo.

Ya a finales de 2020, el Instituto Kurchatov va a lanzar un nuevo tokamak T-15MD, que pasará a formar parte de una instalación híbrida con elementos nucleares y termonucleares. Los neutrones, que se forman en la zona de reacción termonuclear, en la instalación híbrida se utilizarán para iniciar la fisión de núcleos pesados: uranio y torio. En el futuro, estas máquinas híbridas se pueden utilizar para producir combustible para reactores nucleares convencionales, tanto térmicos como neutrones rápidos.

Salvación del torio

Especialmente tentadora es la perspectiva de utilizar un "núcleo" termonuclear como fuente de neutrones para iniciar la desintegración en los núcleos de torio. Hay más torio en el planeta que uranio, y su uso como combustible nuclear resuelve varios problemas de la energía nuclear moderna a la vez.

Por tanto, los productos de desintegración del torio no se pueden utilizar para producir materiales radiactivos militares. La posibilidad de tal uso sirve como un factor político que impide que los países pequeños desarrollen su propia energía nuclear. El combustible de torio resuelve este problema de una vez por todas.

Las trampas de plasma pueden ser útiles no solo en energía, sino también en otras industrias pacíficas, incluso en el espacio. Ahora Rosatom y el Instituto Kurchatov están trabajando en componentes para un motor de cohete de plasma sin electrodos para naves espaciales y sistemas para la modificación de materiales con plasma. La participación de Rusia en el proyecto ITER estimula la industria, lo que conduce a la creación de nuevas industrias, que ya están formando la base para los nuevos desarrollos rusos.