¿Qué es la fusión nuclear?
La fusión nuclear (en este caso estamos hablando de fusión termonuclear) es la reacción
Según la astrofísica modernaNociones, la principal fuente de energía del Sol y otras estrellas es la fusión termonuclear que se produce en sus profundidades. En condiciones terrestres, se lleva a cabo con la explosión de una bomba de hidrógeno. La fusión termonuclear va acompañada de una liberación de energía colosal por unidad de masa de sustancias que reaccionan (aproximadamente 10 millones de veces más que en las reacciones químicas). Por tanto, es de gran interés dominar este proceso y, a partir de él, crear una fuente de energía barata y respetuosa con el medio ambiente. Sin embargo, a pesar de que grandes equipos científicos y técnicos en muchos países desarrollados se dedican a la investigación sobre la fusión termonuclear controlada (CTF), todavía quedan muchos problemas complejos por resolver antes de que la producción industrial de energía termonuclear se convierta en una realidad.
Centrales nucleares modernas que utilizan el proceso.divisiones, satisfacen sólo parcialmente las necesidades eléctricas del mundo. El combustible para ellos son los elementos radiactivos naturales uranio y torio, cuya abundancia y reservas en la naturaleza son muy limitadas; por lo tanto, muchos países enfrentan el problema de importarlos. El componente principal del combustible termonuclear es el isótopo de hidrógeno deuterio, que se encuentra en el agua de mar. Sus reservas están disponibles públicamente y son muy grandes (el Océano Mundial cubre ~71% de la superficie de la Tierra, y el deuterio representa aproximadamente el 0,016% del número total de átomos de hidrógeno que componen el agua).
Además de la disponibilidad de combustible, las fuentes de energía termonuclear tienen las siguientes ventajas importantes sobre las centrales nucleares:
- el reactor CTS contiene muchos menos materiales radiactivos que un reactor de fisión nuclear y, por tanto, las consecuencias de una liberación accidental de productos radiactivos son menos peligrosas;
- las reacciones termonucleares generan desechos radiactivos de menor duración;
- TCB permite la generación directa de electricidad.
La implementación exitosa de la reacción de fusión depende de las propiedades de los núcleos atómicos utilizados y de la posibilidad de obtener un plasma denso a alta temperatura, que es necesario para iniciar la reacción.
¿Cómo se libera la energía durante la fusión?
La liberación de energía durante la fusión nuclear se debe afuerzas de atracción extremadamente intensas que actúan dentro del núcleo; estas fuerzas mantienen unidos los protones y neutrones que forman el núcleo. Son muy intensos y decaen extremadamente rápido con la distancia. Además de estas fuerzas, los protones cargados positivamente crean fuerzas repulsivas electrostáticas. El radio de acción de las fuerzas electrostáticas es mucho mayor que el de las fuerzas nucleares, por lo que comienzan a prevalecer cuando los núcleos se separan entre sí.
En condiciones normales, la energía cinética de los núcleosLos átomos de luz son demasiado pequeños para superar la repulsión electrostática, podrían acercarse y entrar en una reacción nuclear. Sin embargo, la repulsión puede superarse mediante la fuerza "bruta", por ejemplo, mediante la colisión de núcleos con alta velocidad relativa.
¿Por qué los científicos están haciendo fusión nuclear?
Investigadores que desarrollan termonuclearUn reactor que puede generar más energía de la que consume ha demostrado en una serie de trabajos recientes que sus diseños deben funcionar, devolviendo el optimismo de que esta fuente de energía limpia e ilimitada ayudará a paliar la crisis climática.
Un grupo de investigadores de MassachusettsInstitute of Technology (MIT) y otros institutos declaran que el reactor de fusión compacto SPARC funcionará en la realidad. Al menos en teoría, como afirman en una serie de estudios publicados recientemente.
El equipo señala que durante las etapas de planificación nono se encontraron obstáculos ni sorpresas inesperados. Así lo afirman siete artículos escritos por 47 investigadores de 12 instituciones científicas diferentes.
Aunque el nuevo reactor aún está en construcciónEn sus primeras etapas de desarrollo, los científicos esperan que pueda comenzar a producir electricidad a finales de la década. Martin Greenwald, uno de los científicos principales del proyecto, dijo a The Guardian que una motivación clave para el ambicioso cronograma es satisfacer las necesidades energéticas en un clima cada vez más cálido. “La fusión parece ser una de las posibles soluciones para salir de la catástrofe climática que se avecina”, afirmó.
¿Cuál es el problema de la fusión y cómo puede ayudar al planeta?
Fusión nuclear, un proceso físico queLa energía de nuestro sol ocurre cuando los átomos chocan entre sí a temperaturas y presiones extremadamente altas, lo que hace que liberen cantidades masivas de energía al fusionarse con átomos más pesados.
Desde que se descubrió por primera vezEn el último siglo, los científicos han tratado de aprovechar la fusión nuclear, una forma de energía extremadamente densa cuyo combustible (los isótopos de hidrógeno) es abundante y se repone. Además, la fusión nuclear no produce gases de efecto invernadero ni carbono y, a diferencia de los reactores de fisión nuclear, no conlleva riesgo de fusión.
Sin embargo, el uso de esta forma de energía nuclearResultó extremadamente difícil porque requirió calentar la "sopa de partículas subatómicas" (plasma) a cientos de millones de grados, demasiado caliente para que cualquier recipiente pudiera manipularla. Para evitar esto, los científicos han desarrollado una cámara con forma de rosquilla atravesada por un fuerte campo magnético, llamada tokamak, que mantiene el plasma en su lugar.
¿Qué ya se está desarrollando?
Científicos del Instituto de Tecnología de Massachusettsy la subsidiaria Commonwealth Fusion Systems comenzaron a diseñar un nuevo reactor, más compacto que sus predecesores, a principios de 2018, y la construcción comenzará en la primera mitad del próximo año. Si su cronograma va de acuerdo con el plan, un reactor llamado Sparc podría producir electricidad para la red en 2030, según investigadores y funcionarios de la compañía. Esto será mucho más rápido que las principales iniciativas de energía de fusión existentes.
Los diseños actuales de reactores son demasiado grandesy carreteras para generar electricidad para los consumidores. Utilizando imanes ultrafuertes de última generación, el equipo del MIT y Commonwealth Fusion espera crear un reactor tokamak compacto, eficiente y escalable. "Lo que realmente hemos hecho es combinar la ciencia existente con material nuevo para abrir enormes posibilidades nuevas", dijo Greenwald.
Después de demostrar que el dispositivo Sparcteóricamente podría producir más energía de la necesaria para la operación, en los trabajos de investigación publicados en septiembre, el siguiente paso es construir un reactor y luego una planta piloto que generará electricidad en la red.
Todos los pros y contras de la fusión nuclear
Los científicos y los empresarios han prometido durante mucho tiempo queLa fusión termonuclear está a la vuelta de la esquina, pero enfrenta problemas insuperables. Esto ha provocado renuencia a invertir en él, especialmente porque la energía eólica, solar y otras fuentes de energía renovables, aunque menos poderosas que la fusión, se han vuelto más eficientes y rentables.
Pero la situación está cambiando.En el plan de 2 billones de dólares de Biden, llamó a la tecnología nuclear avanzada parte de una estrategia de descarbonización. Los demócratas han apoyado la energía nuclear por primera vez desde 1972. También se obtienen importantes inversiones de fuentes privadas, incluidas algunas grandes empresas de petróleo y gas, que ven la fusión como un mejor punto de apoyo a largo plazo que el viento y el sol.
Según Bob Mumgaard, ejecutivoDirector de Commonwealth Fusion, el objetivo no es utilizar la fusión para sustituir la energía solar y eólica, sino complementarlas. "Hay cosas que serán difíciles de hacer sólo con energía renovable, a escala industrial, como alimentar a las grandes ciudades o la manufactura", dijo. "Ahí es donde la síntesis puede resultar útil".
La comunidad del plasma en su conjunto está entusiasmada con el progreso de Sparc, aunque algunos cuestionan la ambiciosa línea de tiempo dados los obstáculos técnicos y regulatorios.
Daniel Jessby, 25 años de investigación científicaun asociado del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton, se muestra escéptico sobre si un reactor de fusión como el SPARC podría convertirse alguna vez en una posible fuente de energía alternativa. El tritio, uno de los isótopos del hidrógeno que Sparc utilizará como combustible, no se encuentra en la naturaleza y debe producirse, dijo.
Equipo tecnológico de MassachusettsInstitute asume que esta sustancia será regenerada continuamente por la propia reacción de síntesis. Pero Jessby cree que esto requerirá una gran cantidad de electricidad, lo que hará que el reactor sea prohibitivamente caro. "Cuando cree que obtenemos energía solar y eólica de forma gratuita, sería una tontería confiar en las reacciones de fusión", concluye.
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