Energia de fusió

Archiu:Sun in caps block 0 Ray.png

El Sol és un reactor de fusió natural.

La energia de fusió és l'energia lliberada en realisar-se una reacció de fusió nuclear. En este tipo de reacció, dos núcleus atòmics llaugers es fusionen per a formar un núcleu més pesat, lliberant-se gran cantitat d'energia en el procés, que pot ser amprada en la bomba d'hidrogen i, en un futur, en la producció d'energia elèctrica en un hipotètic reactor.

La majoria d'estudis existents per al disseny d'una central nuclear de fusió usen les reaccions de fusió per a generar calor, que farà funcionar una turbina de vapor que a la seua volta activaran els generadors per a produir electricitat, de forma similar a com ocorre actualment en la centrals tèrmiques que usen combustibles fòssils o en les centrals nuclears de fissió, pero en la gran ventaja de que l'impacte ambiental serà considerablement menor ya que per eixemple, mig quilo d'hidrogen (molt abundant en la naturalea, ya que forma part de l'aigua) produiria uns 35 millons de quilovats hora.

L'investigació sobre els reactors de fusió va començar en la década de 1940, pero fins a la data, cap disseny ha produït més eixida d'energia de fusió que l'entrada d'energia elèctrica. El major experiment actual és el Joint European Torus (JET). En 1977 el JET va produir un pico de 16,1 MW d'energia de fusió (el 65% de l'energia suministrada) en una potència de més de 10 MW sostinguda durant més de 0,5 s. En juny de 2005 es va anunciar la construcció del reactor experimental ITER, dissenyat per a produir de forma continuada més energia de fusió que l'energia que se li suministra en forma de plasma.

Els processos de fusió requerixen combustible i un entorn confinat en suficient temperatura, pressió i temps de confinament per a crear un plasma en el que es puga produir la fusió. La combinació d'estes sifres que dona com resultat un sistema productor d'energia es coneix com criteris de Lawson. En les estreles, el combustible més comú és el hidrogen, i la gravetat proporciona temps de confinament extremadament llarcs que alcancen les condicions necessàries per a la producció d'energia de fusió. Els reactors de fusió proposts solen utilisar isòtops d'hidrogen pesat com el deuteri i el triti (i especialment una mescla dels dos), que reaccionen més fàcilment que el protio (l'isòtop d'hidrogen més comú), per a poder alcançar els requisits del criteri de Lawson en condicions menys extremes. La majoria dels dissenys pretenen calfar el seu combustible a uns 100 millons de graus, lo que supon un gran repte a l'hora de produir un disseny exitós.

Com a font d'energia, s'espera que la fusió nuclear tinga moltes ventages sobre la fissió. Entre elles s'inclouen una menor radiactivitat durant el funcionament i pocs residus nuclears d'alt nivell, àmplies reserves de combustible i una major seguritat. No obstant, la combinació necessària de temperatura, pressió i temps de confinament ha demostrat ser difícil de produir de forma pràctica i econòmica. Un segon problema que afecta a les reaccions comunes és la gestió dels neutrons que es lliberen durant la reacció, que en el temps degraden molts materials comuns utilisats dins de la cambra de reacció i produïxen la seua activació, generant residus radiactius.

Els investigadors de la fusió han estudiat varis conceptes de confinament. Al principi es va fer recalcament en tres sistemes principals: z-pinch, stellarator i espill magnètic. Els principals dissenys actuals són el tokamak i el confinament inercial per làser. Abdós dissenys s'estan investigant a molt gran escala, sobretot en l'ITER, en França, a on s'està construint un tokamak, i en el National Ignition Facility (NIF), en Estats Units, a on s'investiga el confinament inercial per làser. Els investigadors també estan estudiant atres dissenys que poden oferir enfocaments més barats. Entre estes alternatives, hi ha un interés creixent per la fusió de blancs magnetizados i el confinament electrostàtic inercial, aixina com per noves variacions del stellarator.

Descripció de la fusió nuclear

Artícul principal → Fusió nuclear.

Archiu:Sun in caps block 13 Ray.png

El Sol, de la mateixa manera que unes atres estreles, és un reactor de fusió natural, a on la nucleosíntesis estelar transforma elements més llaugers en elements més pesats en lliberació d'energia.

Energia d'enllaç para diferents núcleus atòmics. El ferro-56 té la més alta, per lo que és el més estable. Els núcleus situats a l'esquerra solen lliberar energia quan es fusionen (fusió); els situats en l'extrem dret solen ser inestables i lliberar energia quan es dividixen (fissió).

Mecanisme

Les reaccions de fusió es produïxen quan dos o més núcleus atòmics s'acosten lo suficient durant el temps suficient com per a que la força nuclear que els atrau supere a la força electrostàtica que els repelix, fusionant-se en núcleus més pesats. Per a núcleus més pesats que el ferro-56, la reacció és endotèrmica, requerint un aporte d'energia. Els núcleus pesats majors que el ferro tenen molts més protones, lo que resulta en una major força de repulsió. Per als núcleus més llaugers que el ferro-56, la reacció és exotèrmica, lliberant energia en fusionar-se. Com l'hidrogen té un sol protó en el seu núcleu, és el que requerix menys esforç per a conseguir la fusió i el que produïx més energia neta. Ademés, com té un electró, l'hidrogen és el combustible més fàcil de ionizar.

L'interacció electrostàtica repulsiva entre els núcleus opera a distàncies majors que la força nuclear forta, que té un alcanç d'aproximadament un femtómetro, açò és, aproximadament, el diàmetro d'un protó o neutró. Per a que s'inicie la fusió, els àtoms del combustible deuen rebre suficient energia cinètica per a acostar-se lo suficient com per a que la força forta supere la repulsió electrostàtica. La "barrera de Coulomb" és la cantitat d'energia cinètica necessària per a que els àtoms superen esta repulsió electrostàtica. Els àtoms poden calfar-se a temperatures extremadament altes o accelerar-se en un accelerador de partícules per a alcançar esta energia.

Secció eficaç

La velocitat de la reacció de fusió aumenta ràpidament en la temperatura fins a alcançar el seu valor màxim i després disminuïx gradualment. La taxa de fusió de deuteri-triti alcança el seu màxim a una temperatura més baixa (uns 70 keV, o 800 millons de kelvin) i a un valor més alt que atres reaccions comunament considerades per a l'energia de fusió.

La secció eficaç d'una reacció, representada habitualment com $\sigma$, medix la provabilitat de que es produïxca una reacció de fusió. Depén, entre atres factors, de la velocitat relativa dels dos núcleus. Les velocitats relatives més altes generalment aumenten la provabilitat, pero la provabilitat comença a disminuir de nou a energies molt altes.

En un plasma, la velocitat de les partícules pot caracterisar-se per mig d'una distribució de provabilitat. Si el plasma està Termalizado, la distribució s'assembla a una curva de Gauss, o distribució de Maxwell-Boltzmann. En este cas, és útil utilisar la secció travessera mija de les partícules sobre la distribució de velocitats. Açò s'introduïx en la taxa de fusió volumètrica:

$P_{\text{fusión}}=n_A{n}_B⟨\sigma v_{A,B}⟩E_{\text{fusión}},$

a on:

• $P_{\text{fusión}}$ és l'energia feta per fusió, per temps i volum;
• $n$ és la densitat numèrica de cada una de les espècies A o B, açò és, la cantitat de partícules per unitat de volum;
• $⟨\sigma v_{A,B}⟩$ és la secció travessera d'eixa reacció, promediada sobre totes les velocitats de les dos espècies A i B;
• $E_{\text{fusión}}$ és l'energia lliberada per eixa reacció de fusió.

Un àtom pert els seus electrons quan es calfa per damunt del seu energia de ionisació. Es denomina ion al núcleu resultant, ara en càrrega elèctrica positiva. El resultat d'esta ionisació és el plasma, que és un núvol conformat pels núcleus ionizados i els electrons lliures que abans estaven lligats a ells. Com abdós components estan eléctricamente carregats, pese a que la càrrega total siga neutra, els plasmes són conductors elèctrics i tenen propietats magnètiques. Açò és utilisat per varis dispositius de fusió per a confinar les partícules calentes.

Criteri de Lawson

Els criteris de Lawson mostren cóm varia la producció d'energia en la temperatura, la densitat i la velocitat de colisió per a qualsevol combustible donat. Esta equació va ser fonamental per a l'anàlisis de John Lawson de la fusió treballant en un plasma calent. Lawson va assumir el següent balanç energètic:

$P_{\text{out}}={\eta }_{\text{captura}}(P_{\text{fusión}}-P_{\text{conducción}}-P_{\text{radiación}})$

a on:

• $P_{\text{out}}$ és la potència neta de fusió;
• $P_{\text{captura}}$ és l'eficiència de captura de l'eixida de la fusió;
• $P_{\text{fusión}}$ és la taxa d'energia generada per les reaccions de fusió;
• $P_{\text{conducción}}$ són les pèrdues per conducció tèrmica a mida que el plasma pert energia;
• $P_{\text{radiación}}$ són les pèrdues per radiació quan l'energia ix en forma de radiació electromagnètica.

Els núvols de plasma perden energia per conducció i radiació. La conducció es produïx quan els ions, electrons o atres partícules presents en el plasma impacten en atres substàncies, normalment en la superfície del dispositiu a on ocorre la reacció, procés pel qual transferixen una part de la seua energia cinètica. La radiació és l'energia que abandona el núvol en forma d'ona electromagnètica. Les pèrdues per radiació aumenten en la temperatura.

Triple problema: densitat, temperatura, temps

Confinament (esquerra) front a temperatura (avall) per a varis enfocaments de fusió a partir de 2021, suponent combustible DTPlantilla:Clarify

Els criteris de Lawson sostenen que una màquina que mantinga un plasma termalizado i cuasi-neutre deu generar suficient energia com per a superar les seues pèrdues energètiques. La cantitat d'energia lliberada en un volum donat és funció de la temperatura i, per tant, de la velocitat de reacció per partícula, de la densitat de partícules dins d'eixe volum i, per últim, del temps de confinament, açò és, el temps que l'energia permaneix dins del volum. Açò es coneix com el "triple producte": la densitat del plasma, la temperatura i el temps de confinament.

En confinament magnètic, la densitat és baixa, de l'orde d'un "bon buit". Per eixemple, en el dispositiu ITER la densitat del combustible és d'aproximadament 1,0 × 10¹⁹ m^-3, que és aproximadament una millonèsima part de la densitat atmosfèrica. Açò significa que la temperatura i/o el temps de confinament deuen ser alts per a mantindre's la reacció de fusió. Les temperatures rellevants per a la fusió s'han alcançat utilisant una varietat de métodos de calfament que es varen desenrollar a principis de la década de 1970. En les màquines modernes, el principal problema pendent és el temps de confinament. Els plasmes en camps magnètics forts estan subjectes a una série de inestabilitat inherents, que deuen suprimir-se per a alcançar temps de confinament útils. Una forma de fer-ho és simplement aumentar el volum del reactor, lo que reduïx la taxa de fuga deguda a la difusió clàssica; per això ITER és tan gran.

Pel contrari, els sistemes de confinament inercial s'aproximen als valors útils de triple producte per mig d'una major densitat, i tenen intervals de confinament curts. En NIF, la càrrega inicial de combustible d'hidrogen congelat té una densitat inferior a la de l'aigua que s'incrementa fins a unes 100 voltes la densitat del plom. En estes condicions, la velocitat de fusió és tan alta que el combustible es fon en els microsegons que tarda la calor generada per les reaccions en fer esclatar el combustible. Encara que el NIF també és gran, açò és pel disseny del làser amprat, no és un requisit inherent al procés de fusió que té lloc allí.

Captura d'energia

Se han propuesto múltiples enfoques para capturar la energía que produce la fusión. El más sencillo consiste en calentar un fluido. La reacción D-T, que suele ser el objetivo, libera gran parte de su energía en forma de neutrones de movimiento rápido. El neutrón, eléctricamente neutro, no se ve afectado por el sistema de confinamiento. En la mayoría de los diseños, se captura en una capa de litio que rodea el núcleo del reactor llamada breeding blanket o manto regenerador. Cuando recibe el impacto de un neutrón de alta energía, el manto se calienta. A continuación, se enfría activamente con un refrigerante que transporta el calor hasta una turbina donde se produce energía.

Otro diseño propuso utilizar los neutrones para producir combustible de fisión en un manto de residuos nucleares, un concepto conocido como híbrido de fisión-fusión. En estos sistemas, la potencia de salida se ve reforzada por los eventos de fisión, y la energía se extrae utilizando sistemas como los de los reactores de fisión convencionales.

Los diseños que utilizan otros combustibles, en particular la reacción de fusión aneutrónica protón-boro, liberan mucha más energía en forma de partículas cargadas. En estos casos, son posibles sistemas de extracción de energía basados en el movimiento de estas cargas. La conversión directa de energía se desarrolló en el Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) en la década de 1980 como método para mantener una tensión utilizando directamente los productos de la reacción de fusión. Esto ha demostrado una eficiencia de captura de energía del 48 por ciento.

Comportamiento del plasma

El plasma es un gas ionizado que conduce la electricidad. A granel, se modela utilizando la magnetohidrodinámica, que es una combinación de las ecuaciones de Navier-Stokes que rigen los fluidos y las ecuaciones de Maxwell que rigen cómo se comportan el magnético y el campo eléctrico. La fusión aprovecha varias propiedades del plasma, entre ellas:

• El plasma autoorganizado conduce campos eléctricos y magnéticos. Sus movimientos generan campos que a su vez pueden contenerlo.
• El plasma diamagnético puede generar su propio campo magnético interno. Esto puede rechazar un campo magnético aplicado externament, convirtiéndolo en diamagnético.
• Espill magnètics poden reflectir plasma quan es mou d'un camp de baixa a alta densitat.^:24