Fusión nuclear

Desambiguación : si está buscando un accidente muy grave de fusión del núcleo del reactor nuclear , que no es un caso de fusión nuclear, consulte Fusión nuclear .

Diagrama de la reacción exotérmica DT ( deuterio - tritio ) con la producción de helio y la emisión de energía. ^[1]

En física nuclear, la fusión nuclear es una reacción nuclear en la que los núcleos de dos o más átomos se unen para formar el núcleo de un nuevo elemento químico .

Para que la fusión sea posible, los núcleos deben acercarse, utilizando una gran cantidad de energía para vencer la repulsión electromagnética . La fusión de elementos hasta los números atómicos 26 y 28 ( hierro y níquel ) es una reacción exotérmica , es decir, emite energía ^[2] ya que el núcleo producido por la reacción tiene una masa menor que la suma de las masas del reaccionante. núcleos. Para los átomos con números atómicos más altos, la reacción es endotérmica , es decir, absorbe energía. Algunas reacciones (principalmente aquellas con un umbral de energía más bajo, como la fusión de deuterio y tritio ) provocan la liberación de uno o más neutrones libres; esto crea, en la perspectiva de la explotación como fuente de energía, algunos problemas tecnológicos importantes relacionados con la activación de neutrones y el blindaje .

El proceso de fusión de los núcleos atómicos es el mecanismo detrás de las estrellas , que permite emitir luz y mantener constante su tamaño, evitando su colapso gravitacional . La fusión se produjo por primera vez artificialmente en la década de 1950 para amplificar el poder de una bomba atómica : este tipo de dispositivo se llamó bomba H. Desde la década de 1960 , se han realizado muchos experimentos para aprovechar la energía producida por fusión, principalmente para producir electricidad. Todavía se están diseñando y construyendo reactores de fusión nuclear .

Fondo

A partir de los experimentos de Ernest Rutherford sobre la transmutación de núcleos , realizados a principios del siglo XX , la fusión de isótopos de hidrógeno pesados en el laboratorio fue realizada por primera vez por Mark Oliphant en 1932: en el mismo año James Chadwick descubrió el partícula de neutrones . Durante el resto de esa década, las principales etapas del ciclo de la fusión nuclear en las estrellas se derivaron de Hans Bethe . La investigación sobre la fusión con fines militares comenzó a principios de la década de 1940 como parte del Proyecto Manhattan , pero esto no se logró hasta 1951 (en las explosiones nucleares de la Operación Greenhouse ). La fusión nuclear se utilizó por primera vez con fines bélicos el 1 de noviembre de 1952 , durante la explosión de la bomba H llamada Ivy Mike en jerga.

La investigación sobre el desarrollo de la fusión termonuclear controlada con fines civiles se inició sistemáticamente en la década de 1950 y continúa en la actualidad.Entre otros, actualmente se encuentran en marcha dos proyectos con el objetivo de demostrar la tecnología: ITER ^[3] y DEMO . En Italia , ENEA estudia la posibilidad de construir un reactor de fusión nuclear controlado con confinamiento magnético, del tipo más tradicional, el tipo tokamak .

Descripción

Resumen de reacciones

Secciones transversales promedio (velocidad de reacción) para las siguientes reacciones: deuterio-deuterio (DD), deuterio-tritio (DT), deuterio-helio-3 (D-He ³ ), tritio-tritio (TT). El umbral para el pico de la reacción de DT es de aproximadamente 70 keV, para la reacción de D-He ³ es un poco más de 100 keV; para las reacciones DD es superior a 100 keV, y de manera similar para TT. En el caso de DD, la velocidad de reacción es acumulativa para ambas reacciones que involucran deuterio. Los datos a partir de los cuales se extrajo el gráfico se obtuvieron del Formulario de plasma de NRL (página 45). el formulario de plasma de NRL se puede descargar en https://web.archive.org/web/20090901213536/http://wwwppd.nrl.navy.mil/nrlformulary/NRL_FORMULARY_09.pdf

(D es el símbolo convencional para el deuterio , ² H y T para el tritio )

Para la realización de reactores de fusión , el primer problema hasta ahora ha sido el de identificar reacciones a baja temperatura (técnicamente hablamos de energía umbral ). El primer pensamiento fue claramente, naturalmente, la imitación de la naturaleza: sabemos que la fusión es la fuente de energía de las estrellas , incluido el Sol , en la que el gas caliente se mantiene confinado y cohesivo por su propia gravedad, como fue el caso. párrafos anteriores. Sin embargo, las reacciones de las estrellas tienen, lamentablemente, temperaturas umbral demasiado altas para la resistencia de los materiales actuales y la capacidad de mantener el plasma confinado y cohesivo.

Las reacciones que se utilizarán tienen una temperatura más baja que las estándar en estrellas (reacción deuterio-deuterio y ciclo carbono-nitrógeno-oxígeno ):

( ⁴ He helio-4 , ³ He helio-3 )

reacción artificial estándar: DT (el umbral más bajo, ~ 14 keV )

D + T → ⁴ He (3,5 MeV) + n (14,1 MeV )

reacción de las estrellas: DD (las dos reacciones ocurren con la misma frecuencia)

D + D → T (1,01 MeV) + p (3,02 MeV )

D + D → ³ He (0,82 MeV ) + n (2,45 MeV )

Reacción TT

T - T → ⁴ He + 2 n (11,3 MeV)

Otras reacciones interesantes, en su mayoría aneutrónicas:

reacción de la fusión aneutrónica estándar, la de ³ He (umbral de temperatura superior a tres veces; dificultad para suministrar ³ He):

³ He + ³ He → ⁴ He + 2 p

D + ³ He → ⁴ He (3,6 MeV) + p (14,7 MeV)

T + ³ He → ⁴ He (0,5 MeV) + n (1,9 MeV) + p (11,9 MeV) (51%)

T + ³ He → ⁴ He (4,8 MeV) + D (9,5 MeV) (43%)

T + ³ He → ⁵ He (2,4 MeV) + p (11,9 MeV) (6%)

hombro del ^sexto Li

p + ⁶ Li → ⁴ He (1,7 MeV) + ³ He (2,3 MeV)

D + ⁶ Li → 2 ⁴ He (22,4 MeV)

³ He + ⁶ Li → 2 ⁴ He + p (16,9 MeV)

reacciones de activación de neutrones de tritio, utilizadas en bombas de fusión "secas" y algunos diseños de reactores de fusión:

⁶ Li + n → T + ⁴ He

⁷ Li + n → T + ⁴ He + n

hombro de ¹¹ B

p + ¹¹ B → 3 ⁴ He (8,7 MeV)

Reacción artificial

La reacción (con diferencia) más estudiada durante décadas, para utilizar la fusión en un reactor de una central eléctrica para producir electricidad, es la fusión deuterio-tritio (DT), porque es la que requiere la temperatura más baja. La reacción tiene una temperatura umbral de unos 200 millones de grados . De hecho, en la jerga técnica, la temperatura se expresa en kiloelectrones voltios : 200 millones de grados equivalen a 20 keV (para realizar esta conversión es necesario multiplicar por la constante de Boltzmann ). La desventaja de la reacción DT estándar, la más fría, es la producción de neutrones de muy alta energía (14,1 MeV): para dar una idea, aproximadamente 7 veces la energía estándar de un neutrón de fisión rápida, que corresponde a la producida por la fisión nuclear. reacción del uranio 235 . El problema con los neutrones rápidos es que, al carecer de carga, no pueden estar confinados por un campo magnético , pero, a diferencia de los neutrinos , los neutrones interactúan mucho con la materia. Los neutrones en particular tienden a hacer que los aceros , el hormigón armado y otros materiales estructurales convencionales sean radiactivos, transformando los elementos químicos que contienen: el fenómeno se llama activación neutrónica . Por tanto, la presencia de neutrones rápidos hace necesario el uso de escudos muy pesados ​​(normalmente de plomo o de hormigón armado ). Este es un problema importante para un reactor de deuterio-tritio como el ITER . Los neutrones, por otro lado, son una fuente de calor dentro de las paredes del reactor, que se aprovecha en la producción de electricidad. Además, los neutrones se utilizan para producir tritio a través de reacciones de captura de neutrones del litio, al fluir detrás de las paredes de plasma de litio o una aleación de litio-plomo en la que el plomo protege hacia afuera y ayuda a multiplicar los neutrones rápidos. Al aumentar la tasa de conversión del litio en tritio. .

Reacción aneutrónica

La fusión ³ He + D es el representante tecnológicamente más importante de la fusión aneutrónica .

Se ha medido que su temperatura umbral para la reacción de ³ He + D es de alrededor de 580 millones de grados (50 keV), y la de DT es de 175 millones de grados (15 keV): el aumento de temperatura es de aproximadamente 3, 3 (consulte la figura anterior). con las curvas de probabilidad de reacción a distintas temperaturas).

Esta reacción podría resultar interesante como alternativa a T + D, pero sería necesario incrementar la intensidad del campo magnético , y por tanto la capacidad de confinamiento, en más de 6 veces, que podrían ofrecer los electroimanes que emplean tecnología superconductora a alta temperatura . Naturalmente, estos serían mucho más capaces de mantener el plasma confinado y cohesivo que, por ejemplo, los imanes superconductores de baja temperatura, que dan un campo de alrededor de 1 tesla para el reactor ITER de referencia en Provenza. De hecho, un plasma de ³ He y D alrededor de 580 millones de grados también produce fusiones secundarias de tipo D + D, que son neutrónicas: esto se puede ver en la proximidad de las curvas de las reacciones ³ He + D y D + D en esta región de temperatura. De hecho, los neutrones de la reacción estándar D + T tienen una energía muy alta, aproximadamente 7 veces la de los neutrones generados por la fisión estándar del uranio 235, y por lo tanto son mucho más penetrantes. En cambio, los neutrones lentos de D + D son menos y penetran de manera similar a los de la fisión estándar, ya que tienen una energía similar; finalmente, activan mucho menos los materiales estructurales del reactor y, por lo tanto, plantean menos problemas de blindaje y eliminación.

Desafortunadamente, las dos fusiones aneutrónicas más estudiadas en el pasado con fines militares fueron la de helio-3 con tritio y la de litio-6 con deuterio.

Reacción de las estrellas

Existen estudios que exploran las posibilidades de explotación pacífica de la reacción que tiene lugar en las estrellas, la reacción deuterio-deuterio (DD), que en el 50% de los casos produce neutrones con una energía mucho menor (alrededor de 2,5 MeV). Sin embargo, la temperatura umbral de la reacción es incluso más alta que en el caso de ³ He + D, por lo que incluso con los nuevos imanes basados ​​en superconductores de alta temperatura, se cree que no se puede alcanzar en unas pocas decenas de años.

Cinética de reacciones

En la fusión nuclear, la masa y la energía están relacionados por la teoría especial de la relatividad de Einstein según la ecuación:

E = mc ²

en el cual:

E es energía;

m es la masa ;

c ² es el cuadrado de la velocidad de la luz en el vacío.

En este tipo de reacción, el núcleo recién formado y el neutrón liberado tienen una masa total menor que la suma de las masas de los núcleos que reaccionan, lo que resulta en la liberación de una gran cantidad de energía , principalmente energía cinética de los productos de fusión.

Para que se produzca una fusión, los núcleos deben estar lo suficientemente cerca, de modo que la fuerza nuclear fuerte predomine sobre la repulsión de Coulomb (los dos núcleos tienen una carga eléctrica positiva, se repelen): esto ocurre a distancias muy pequeñas, del orden de unos pocos femtómetros ( ^10-15 metros). La energía necesaria para superar la repulsión de Coulomb se puede suministrar a los núcleos llevándolos a una presión muy alta ( temperatura muy alta, alrededor de 10⁷ kelvin y / o densidad muy alta).

La fusión nuclear, en procesos terrestres, se utiliza de forma incontrolada para bombas de hidrógeno y de forma controlada en reactores de fusión termonuclear , aún en fase experimental.

La energía potencial total de un núcleo es considerablemente más alta que la energía que une los electrones al núcleo. Por lo tanto, la energía liberada en la mayoría de las reacciones nucleares es considerablemente mayor que la de las reacciones químicas . Por ejemplo, la energía de enlace del electrón al núcleo de hidrógeno es de 13,6 eV, mientras que la energía liberada por la reacción de DT que se muestra a continuación es de 17,6 MeV, es decir, más de un millón de veces la primera. Con un gramo de deuterio y tritio , se podría producir la energía desarrollada por 11 toneladas de carbón .

Los átomos involucrados en el proceso de fusión nuclear, en la naturaleza y en la ingeniería, son los isótopos del átomo de hidrógeno , caracterizados por un número atómico mínimo, que corresponde a la energía mínima de ignición. Sin embargo, la fusión de elementos más pesados ​​también es posible dentro de las estrellas más grandes, se cree que hasta el hierro.

La fusión nuclear controlada podría resolver la mayoría de los problemas energéticos de la Tierra, porque podría producir cantidades casi ilimitadas de energía sin emisiones de gases nocivos o de efecto invernadero y con la producción de cantidades limitadas de desechos radiactivos, incluido el tritio; una pequeña cantidad de radiactividad residual afectaría sólo a algunos componentes del reactor de fusión sometidos al bombardeo de neutrones durante los procesos de fusión. Sin embargo, estos componentes serían fácilmente reemplazables; la vida media de la radiactividad residual sería comparable con la vida media de la planta (decenas de años).

Aplicaciones

Fuente de energía civil

En los últimos sesenta años también se ha realizado un esfuerzo teórico y experimental considerable para desarrollar la fusión nuclear con fines civiles más que bélicos o para generar electricidad y también como sistema de propulsión de cohetes , potencialmente mucho más eficiente y con mucho menos impacto ambiental tanto nuclear. reactores de fisión , o producción centralizada de energía convencional representada principalmente por centrales termoeléctricas e hidroeléctricas .

El principal problema desde el decenio de 1960 hasta ahora, y probablemente también en el futuro previsible, es la dificultad de lograr un balance energético positivo del reactor. Hasta la fecha, de hecho, todavía no ha sido posible construir un reactor que normalmente produzca más electricidad durante su funcionamiento continuo de la que consume para alimentar los imanes y los sistemas auxiliares. Una vez que se ha alcanzado el balance energético positivo, también debe garantizarse un balance económico positivo . El principal parámetro que utilizan los técnicos para evaluar la positividad del balance energético de un reactor es el parámetro de Lawson .

En la actualidad, el reactor de fusión más avanzado es el ITER : ^[3] un reactor de fusión termonuclear (basado en la configuración del tipo tokamak ). ITER es un proyecto de cooperación internacional entre la Unión Europea , Rusia , China , Japón , Estados Unidos de América , Corea del Sur e India . Sin embargo, el ITER no es todavía el prototipo de una planta de producción de electricidad, sino solo una máquina experimental destinada a demostrar que puede obtener las condiciones de ganancia de energía necesarias. DEMO, en cambio, es el prototipo de unidad central que están estudiando los mismos participantes en el proyecto ITER. ^[4]

Confinamiento magnético

Un plasma está formado por partículas cargadas y, por lo tanto, puede estar confinado por un campo magnético apropiado. Se conocen muchas formas de generar un campo magnético capaz de aislar un plasma en fusión; sin embargo, en todas estas configuraciones, las partículas cargadas que componen el plasma interactúan inevitablemente con el campo, afectando la eficiencia del confinamiento y calentando el sistema. Hay dos geometrías que han resultado interesantes para confinar plasmas por fusión: el espejo magnético y el toro magnético . El espejo magnético es una configuración "abierta", es decir, no está cerrado sobre sí mismo, mientras que el toro (una figura geométrica en forma de "rosquilla") es una configuración cerrada sobre sí misma alrededor de un orificio central. Las variantes del toro son las configuraciones esféricas , en las que el agujero en el centro del toro es muy pequeño pero todavía está presente.

Cada uno de estos sistemas de confinamiento tiene diferentes realizaciones, que se diferencian entre sí en enfatizar la eficiencia del confinamiento o en simplificar los requisitos técnicos necesarios para la realización del campo magnético. La investigación sobre espejos magnéticos y otras configuraciones abiertas (botellas magnéticas, " pinches " lineales , cúspides, octopolos, etc.) tuvo un gran desarrollo en los años 1960 - 1970 , luego fue abandonada debido a las inevitables pérdidas de partículas en los extremos. de la configuración. En cambio, una variante de los sistemas toroidales, el tokamak , resultó ser una solución inicialmente más simple que otras para una implementación de laboratorio. Esto, unido a una perspectiva retributiva de futuro, lo ha convertido en el sistema en el que la investigación científica en este sector ha dado sus pasos más significativos. Actualmente, el experimento más prometedor en este campo es el proyecto ITER . Sin embargo, existen variantes de configuraciones toroidales, como el estelarizador (que se caracteriza por la ausencia de un circuito para generar una corriente en el plasma) y el pinch de campo inverso .

En 2009, utilizando la máquina RFX en Padua, se demostró experimentalmente que, de acuerdo con las disposiciones de un modelo matemático, el confinamiento puede mejorarse dándole al plasma presente en el Pinch de campo inverso una forma helicoidal. ^[5]

Confinamiento inercial

El mismo tema en detalle: Fusión por confinamiento inercial .

El combustible nuclear puede comprimirse al encenderse por un bombardeo de fotones, otras partículas o por una explosión. ^{[6] [7]} En el caso de la explosión, el tiempo de confinamiento será bastante corto. Este es el proceso utilizado en la bomba de hidrógeno , en el que una poderosa explosión de una bomba de fisión nuclear comprime un pequeño cilindro de combustible de fusión.

En la bomba de hidrógeno , la energía desarrollada por una bomba de fisión nuclear se usa para comprimir el combustible, generalmente una mezcla de deuterio y tritio , hasta la temperatura de fusión. La explosión de la bomba de fisión genera una serie de rayos X que crean una onda térmica que, al propagarse en la ojiva, comprime y calienta el deuterio y el tritio, generando fusión nuclear.

Se han intentado otras formas de confinamiento inercial para los reactores de fusión, incluido el uso de láseres grandes enfocados en una pequeña cantidad de combustible, o el uso de iones del propio combustible acelerados a una región central, como en el fundidor primitivo Farnsworth-Hirsch. O en el fusor Polywell .

Boro

En 2004 , científicos rusos, liderados por Krainov , pudieron producir una reacción de fusión nuclear controlada desencadenada por confinamiento láser, entre protones (átomos de hidrógeno sin un electrón) y átomos de boro , a una temperatura de mil millones de kelvin , sin emisión. De neutrones y partículas radiactivas, excluidas las partículas alfa . Pero la energía requerida por el láser supera con creces la producida por la reacción ^{[8] [9] [10]} .

En enero de 2013, un grupo de investigadores italianos y checos dirigidos por el Dr. Antonino Picciotto (instalación de micro-nano, Fondazione Bruno Kessler, Trento) y por el Dr. Daniele Margarone (Instituto de Física ASCR, vvi (FZU), Proyecto ELI-Beamlines , 182 21 Praga, República Checa) logró el récord de producción de partículas alfa (10 ^ 9 / estereorradián) sin emisión de neutrones, utilizando por primera vez un objetivo hidrogenado de boro y silicio y un láser con una intensidad 1000 veces menor en comparación con experimentos anteriores . ^[11]

Bomba H

La primera aplicación técnica de la fusión termonuclear, en la segunda mitad del siglo XX , fue la amplificación de la energía de una bomba atómica obtenida rodeándola con una capa exterior de hidrógeno: este dispositivo se llama bomba H. Hasta ahora este dispositivo nunca se había utilizado sobre un objetivo civil, sino que solo se había experimentado en sitios de prueba llevados a cabo por las grandes potencias de la guerra fría principalmente durante los años 50 y 60 del siglo XX en los atolones del océano Pacífico , provocando la permanente destrucción de los sitios (el caso emblemático es el atolón de Bikini : desde 1997 el atolón ha sido declarado habitable nuevamente, pero las islas aún permanecen deshabitadas y existen grandes riesgos para la población), y un aumento sustancial del fondo de radiactividad natural en todo el territorio planeta durante esos años.

Nota

Bibliografía

• (EN) Weston Stacey, The Quest for Fusion Energy Reactor: An Insider's Account of the INTOR Workshop, EE.UU. Oxford University Press, 2010. ISBN 0-19-973384-8
• ( EN ) Peter Stott, Garry McCracken, La energía del universo (Serie de ciencia complementaria), Academic Press (Londres), 2004. ISBN 0-12-481851-X
• ( EN ) AA Harms et al. Principios de la energía de fusión . World Scientific Publishing, 2000. ISBN 981-238-033-7
• (EN) Weston Stacey, Fusion, Wiley VCH Verlag, 2010. ISBN 3-527-40967-X
• ( ES ) John Wesson, Tokamaks . Oxford University Press, Estados Unidos; 3a edición, 768 páginas (5 de enero de 2004). ISBN 0-19-850922-7
• ( EN ) Stefano Atzeni y Juergen Meyer-ter-Vehn, Fusión por confinamiento inercial . Prensa de la Universidad de Oxford; 458 + xxi páginas (2004). ISBN 0-19-856264-0
• ( ES ) Kenro Miyamoto, Física del Plasma y Fusión Nuclear Controlada . Springer Series on Atomic, Optical, and Plasma Physics, 1 edición, 371 páginas (21 de julio de 2005). ISBN 3-540-24217-1
• ( EN ) Jeffrey P. Freidberg, Plasma Physics and Fusion Energy , 1ª ed., Cambridge, Cambridge University Press, 2008, ISBN 978-0-521-73317-5 . Libro oficial de Google por Cambridge University Press
• El falso inicio de la fusión de Michael Moyer, en Le Scienze n. 501, mayo de 2010

Artículos relacionados

• Fusión nuclear fría
• Tokamak
• ITER
• IGNITOR
• Criterio de Lawson
• Física del plasma
• Bomba de hidrogeno
• Hidrógeno
• Deuterio
• Tritio
• Bomba nuclear
• Central para la fusión
• Inyectores neutros para fusión

Otros proyectos

• Wikimedia Commons contiene imágenes u otros archivos sobre fusión nuclear

enlaces externos

• ( EN ) Fusión nuclear , en la Enciclopedia Británica , Encyclopædia Britannica, Inc.
• Fusión en el Centro ENEA de Frascati , en fusion.enea.it .
• Consorzio RFX , onigi.cnr.it . Consultado el 25 de agosto de 2010 (archivado desde el original el 1 de septiembre de 2009) .
• ( EN ) EFDA , en efda.org . Obtenido el 25 de agosto de 2010 (archivado desde el original el 14 de septiembre de 2014) .
• ( EN ) JET , en jet.efda.org . Consultado el 25 de agosto de 2010. Archivado desde el original el 23 de julio de 2009 .
• ( EN ) Fusion For Energy , en fusionforenergy.europa.eu .
• ( ES ) ITER , en iter.org .
• ( EN ) IUPAC Gold Book, "reacción de fusión nuclear" , en goldbook.iupac.org .

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