¿Cómo domesticar la fusión termonuclear y por qué la necesitamos?





Ya hemos escrito sobre ideas y desarrollos inesperados y notables en el campo de la obtención de energía a partir de la fisión nuclear. Y también sobre qué hacer cuando algo sale mal con los reactores nucleares. Como sabemos, la libertad es mejor que la no libertad y la síntesis es mejor que la decadencia. Esto es exactamente lo que pensaban los científicos hace cien años cuando dieron los primeros pasos para controlar la fusión termonuclear. En este artículo describiremos brevemente qué es la fusión termonuclear, en qué etapa se encuentran los avances científicos y cuándo vale la pena esperar la introducción de un nuevo método de producción de energía. Después de todo, es precisamente por eso que la humanidad lo necesita.



Mirando al Sol: la historia del descubrimiento de la fusión termonuclear



Con el desarrollo de la ciencia, la humanidad empezó a preguntarse cómo funciona el sol, por qué no se apaga y sigue emitiendo calor y luz. En los años veinte del siglo pasado, hace casi cien años, al científico británico Arthur Stanley Eddington se le ocurrieron las ideas del ciclo protón-protón, es decir, un conjunto de reacciones termonucleares, durante las cuales el hidrógeno de las estrellas se convierte en helio. Y esta reacción va acompañada de la liberación de cantidades colosales de energía, que se pueden sentir fácilmente simplemente saliendo a la calle en un día soleado.



Un poco más tarde, ya en los años treinta, científicos de la Universidad de Cambridge bajo el liderazgo del australiano Mark Olyphant, como resultado de una serie de experimentos, descubrieron los nucleones (nombre común de los protones y neutrones que componen el núcleo atómico) del helio-3 y el tritio, que participan en estas reacciones, y su homólogo alemán, Hans Bethe, recibió el Premio Nobel de Física por sus contribuciones a la teoría de las reacciones nucleares y, especialmente, por sus descubrimientos sobre las fuentes de energía en las estrellas. Ya en 1946, Sir George Padget Thomson y Moses Blackman describieron y patentaron la idea del Z-pinch, es decir, un sistema de confinamiento de plasma que utiliza un campo magnético o "trampa magnética", que sirvió de base para nuevos experimentos para crear los primeros dispositivos de fusión termonuclear controlada.





Trampa magnética de laboratorio, foto: Sandpiper / Wikimedia Commons



Poder infinito: ventajas, desventajas y obstáculos para la implementación



Pasemos de la historia a la teoría general. La fusión termonuclear controlada es el proceso de obtención de núcleos atómicos más pesados ​​a partir de núcleos más ligeros con el objetivo (en teoría) de utilizar la energía liberada para generar electricidad. En esencia, es lo opuesto a la reacción de fisión utilizada en la energía nuclear tradicional. Básicamente, el deuterio y el tritio se utilizan para la reacción de fusión termonuclear (la llamada reacción DT), aunque también son posibles variantes con deuterio y helio-3, entre los núcleos de deuterio (DD) y otras combinaciones de isótopos.



Por sí mismos, los núcleos atómicos no interactúan de buena gana debido a la "barrera de Coulomb", es decir, las fuerzas de repulsión electrostática entre ellos. Para superarlo y comenzar una reacción en condiciones terrestres, la sustancia debe calentarse a una temperatura suficientemente alta, y en este caso estamos hablando de cientos de millones de grados. Es de este proceso que la fusión termonuclear obtuvo su nombre. La combinación de deuterio y tritio en este caso requiere una temperatura "mínima" para el inicio de la reacción (esos mismos 100 millones de grados), por lo que se usa con mayor frecuencia en instalaciones experimentales.





Reacción de fusión DT. Fuente: Toshiba Energy Systems & Solutions Corporation



Además, en el transcurso de la reacción aparecen una gran cantidad de neutrones, pero hablaremos un poco más abajo de su significado, y primero trataremos de explicar por qué la aplicación comercial de este proceso ha emocionado en general las mentes de la humanidad durante los últimos 70 años. Entonces, las ventajas de la fusión termonuclear controlada:



  1. Disponibilidad comparativa de isótopos para la reacción. El deuterio se puede obtener fácilmente del agua de mar, cuyas reservas son más que suficientes en la Tierra. El tritio no se encuentra en la naturaleza, ya que tiene una vida media de tan solo 12,3 años, pero se obtiene del litio-6 y del agua pesada de los reactores nucleares, que no estamos dispuestos a abandonar en los próximos años.
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Además, durante la fusión termonuclear, no se liberan sustancias que luego puedan usarse para fabricar armas "sucias".





Tokamak JET, foto: EFDA JET / Wikimedia Commons



¿Pero por qué, entonces, el principio mismo de la fusión termonuclear controlada, desarrollado a mediados del siglo pasado, aún no se ha implementado en la práctica o implementado solo como instalaciones experimentales que no han comenzado a producir electricidad? Veamos las desventajas y limitaciones de este proceso.



Regresemos primero a nuestros neutrones. Durante la reacción con el uso de DT, se forma un flujo de neutrones que bombardea las paredes de contención del reactor. En consecuencia, estamos ante la denominada radiación "inducida", que complica enormemente el mantenimiento del equipo y, muy posiblemente, llevará a la necesidad de su sustitución periódica, ya que con el tiempo, por el bombardeo de neutrones, los materiales se vuelven no solo radiactivos, sino también frágiles. Para solucionar este problema, se propone utilizar materiales no sensibles a la radiación, que durarán más, pero su uso incrementará los ya colosales costes de construcción de centrales de fusión termonuclear. También se considera el uso de otras sustancias activas para obtener reacciones "libres de neutrones",pero ya hemos discutido los requisitos de densidad y temperatura de reacción para ellos anteriormente.



Incluso en el nivel actual de desarrollo tecnológico, los científicos e ingenieros no pueden garantizar que el consumo de energía para calentar y llevar la sustancia en el reactor a un estado de plasma, y ​​luego mantenerla en este estado, a pesar de la pérdida constante de calor (así como para enfriar el sistema, funcione electroimanes y otros subsistemas), cayeron por debajo de la cantidad de energía liberada durante la reacción. Por ejemplo, el tokamak británico JET ha alcanzado una relación entre la energía entrante y saliente de solo el 67%, es decir, 0,67 Q. Q es un indicador que expresa la relación entre las cantidades de energía gastada y recibida en dicho sistema, por lo que la reacción de fusión se considera autosostenible. , debe ser igual a al menos 5, y mucho mayor para generar capacidades útiles. Hoy en día, no hay reactores con tal valor en el mundo.



La pregunta final, por supuesto, es la recuperación de la inversión y el costo. Para lograr una imitación precisa de las reacciones dentro del Sol, no es suficiente tomar tritio y deuterio y traerles una combinación convencional. Un reactor de fusión termonuclear es un diseño increíblemente complejo, voluminoso y costoso, que tiene lugar para un sistema de enfriamiento masivo, una gran cantidad de electroimanes de varios tipos e incluso sus propias plantas de energía.



Se estima que los costos de construcción del tokamak experimental ITER (ver más abajo), que aún no se ha completado, podrían exceder los $ 20 mil millones. Al mismo tiempo, el reactor no está diseñado para la producción de electricidad en absoluto, es decir, el único beneficio de la operación del ITER será la experiencia del trabajo conjunto de científicos y datos experimentales.



Magia práctica: los principales tipos de construcción e hitos de su desarrollo



Convencionalmente, las instalaciones para la fusión termonuclear controlada se pueden dividir en cuatro tipos: tokamaks, stellarators, trampas de espejo y sistemas de pulsos. Utilizando su ejemplo, nos proponemos considerar tanto el desarrollo de ideas que en el futuro pueden conducir a la producción de electricidad mediante fusión termonuclear, como las ramas "sin salida", que por una u otra razón en los próximos años (o nunca) no irán más allá del marco teórico y experimental. ...



TokamakEs una abreviatura de "cámara toroidal con bobinas magnéticas", cuya cámara es el elemento principal del reactor, que sirve para contener el plasma. En este caso, las bobinas magnéticas enrolladas alrededor de la cámara del reactor se utilizan para crear un campo especial que evita que el plasma entre en contacto con sus paredes, que los materiales modernos de aislamiento térmico simplemente no soportarían. Al mismo tiempo, también pasa una corriente a través del propio plasma, que sirve tanto para calentarlo como para crear un campo magnético poloidal. En las condiciones modernas, este campo no puede existir por más de unos segundos, y sin él, el plasma pierde su estabilidad, por lo tanto, es demasiado pronto para hablar del uso de tokamaks para la producción continua de electricidad.aunque es posible mantener la corriente durante más tiempo utilizando radiación de microondas o la introducción de átomos neutros de deuterio / tritio en el plasma.





Tokamak KSTAR, Corea del Sur, foto: Michel Maccagnan / Wikimedia Commons Las



ideas de Tokamak se describieron por primera vez en la Unión Soviética en los años 50 del siglo pasado, y el primer reactor de este tipo se construyó en el Instituto Kurchatov en 1954. Durante mucho tiempo, los tokamaks siguieron siendo un desarrollo puramente soviético, pero en la década de 1970, los científicos británicos confirmaron los resultados récord de calentamiento de plasma logrados en el tokamak T-3 soviético y se interesaron por la tecnología en todo el mundo.



Hoy en día, los tokamaks se consideran el desarrollo más prometedor y su número en el mundo supera el número de otros tipos de instalaciones. Entre los logros en este ámbito, cabe destacar el EAST chino (Experimental Advanced Superconducting Tokamak, construido con el apoyo de la Federación de Rusia), que alcanzó una temperatura de plasma de 100 millones de grados en 2018, el European JET (Joint European Toru), que se encuentra en el Reino Unido y es considerado el tokamak más grande de world, así como el ITER ya mencionado anteriormente, en el que nos detendremos con más detalle.





Circuito ITER tokamak. Fuente: Laboratorio Nacional Oak Ridge - ITER Tokamak and Plant Systems (2016) / Wikimedia Commons



La idea de construir un ITER (Reactor Experimental Termonuclear Internacional, reactor experimental termonuclear internacional) se discutió en 1985, en una reunión entre Ronald Reagan y Mikhail Gorbachev, pero la construcción real comenzó solo en 2010. Muchos países están involucrados en el trabajo del reactor, incluidos Japón, los países de la UE, Rusia, Estados Unidos, Corea del Sur, China e India. El resultado del proyecto conjunto será una estructura gigante de 23.000 toneladas de peso, que desplazará a JET del pedestal del tokamak más grande del planeta y, en teoría, podrá llevar el valor Q a 30.aunque los creadores del ITER no se proponen el objetivo de lograr la generación de electricidad, la tarea del tokamak es finalmente probar la posibilidad misma de utilizar la fusión termonuclear en esta área y allanar el "camino" (así se traduce del latín el nombre abreviado del reactor) para DEMO, el primer tokamak con un balance "positivo", que no comenzará hasta mediados del siglo XXI.



En el proyecto ITER, Japón se centró en el desarrollo y producción de uno de los elementos más importantes: las bobinas superconductoras, necesarias para formar un campo magnético alrededor de la cámara del reactor. Específicamente, Toshiba está diseñando bobinas de campo toroidales gigantes de 16,5 metros que pesan alrededor de 300 toneladas. Al mismo tiempo, es necesario observar tolerancias extremadamente estrictas para las dimensiones de cada parte, solo unos pocos milímetros, por lo que las tecnologías y métodos inventados durante el trabajo en los tokamaks experimentales japoneses, el JT-60 y JT-60SA, se vuelven de gran ayuda.



Estelaradores(del latín stella - "estrella") recibió su nombre debido a la similitud de los procesos en el reactor con los que ocurren dentro de las estrellas. El primer prototipo fue construido en 1951 en los Estados Unidos bajo el liderazgo de su inventor, Lyman Spitzer. La principal diferencia entre los esteladores y los tokamaks radica en el diseño de la trampa magnética: en los esteladores, solo se utilizan bobinas externas para confinar el plasma en la cámara, que crean líneas de fuerza que giran alrededor de la cámara. Este diseño teóricamente permite el uso de una trampa magnética en modo continuo. En los estelaradores, como en los tokamaks, casi siempre se utiliza una mezcla de deuterio y tritio, que se introduce en el recipiente de vacío de la cámara. Los diseños modernos han abandonado la cámara en forma de toro en favor de modelos complejos simulados por computadora.Su objetivo es maximizar la eficiencia de la contención de plasma.





Wendelstein 7-X. : Max-Planck-Institut für Plasmaphysik, Tino Schulz / Wikimedia Commons



A pesar de la posibilidad de exposición continua al plasma y del diseño modificado de la cámara, los estelaradores no están tan extendidos como los tokamaks. Esto se debe principalmente a la mayor complejidad del diseño y su menor eficiencia en las condiciones modernas. Wendelstein 7-X, construido en Greifswald en Alemania en 2015, se convirtió en el estelarizador más grande del mundo y una especie de "epitafio" para este desarrollo. Según los cálculos de los científicos, tuvo que llevar el tiempo de exposición continua de los electroimanes al plasma a 30 minutos para demostrar la posibilidad de utilizar estelaradores para la generación de electricidad a largo plazo. Además, en 2018, durante el experimento, la temperatura del plasma solo se elevó a 40.000 grados Celsius y el tiempo de funcionamiento se redujo a 100 segundos. Las próximas pruebas están programadas para 2021.



- este tipo de planta de fusión termonuclear controlada sigue siendo en gran parte un desarrollo teórico. Incluso el académico Andrei Sakharov en 1960 demostró que la fusión termonuclear es posible sin el uso de trampas magnéticas, proponiendo lo opuesto al enfoque clásico. En este caso, no estamos hablando de un plasma súper enrarecido, que se mantiene en su lugar por campos electromagnéticos durante mucho tiempo, sino de su versión superdensa (y de vida extremadamente corta). Se propone detonar "blancos" en miniatura con una composición DT congelada en sistemas pulsados ​​utilizando potentes láseres o rayos de radiación para lograr una especie de análogo de explosiones de combustible en motores de gasolina, sólo a nivel de reacciones termonucleares. Un sistema de este tipo con explosiones periódicas puede proporcionar una cadena casi continua de reacciones termonucleares que generan energía,mientras (en teoría) sin dañar la carcasa del reactor.





NIF/ : Lawrence Livermore National Laboratory, Lawrence Livermore National Security, LLC, and the Department of Energy — National Ignition Facility / Wikimedia Commons



Entre los desarrollos existentes en esta área, cabe mencionar el proyecto MagLIF y el NIF (National Ignition Facility, o Complejo Nacional de Reacciones Termonucleares Láser) del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore en California. A pesar del potencial continuo de esta idea, en 2012 el gobierno de los EE. UU. Planeó poner fin a la financiación del programa debido a los escasos resultados prácticos. A día de hoy, los experimentos continúan, pero la complejidad de los "objetivos" en sí y la necesidad de entregarlos regularmente a la cámara, en la que luego ocurre una explosión, equivalente a una tonelada de TNT, dejan este tipo de instalación muy por detrás de los tokamaks y stellarators en términos de practicidad.



Trampas de espejo- El primer experimento que utilizó trampas magnéticas "abiertas" se llevó a cabo en 1955 en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore. La idea detrás de las trampas era usar no un toro cerrado, sino un recipiente magnético alargado, abierto en dos extremos opuestos. En este caso, el "nuevo" plasma tenía que calentarse a la temperatura requerida, emitir energía y salir por los orificios laterales (o ser rebotado por el campo magnético, como en los espejos, de ahí el nombre). Gracias a esta forma y mecanismo, su costo resultó ser mucho menor que el de los diseños de la competencia, por lo que durante un tiempo las trampas de espejo parecían ser un desarrollo extremadamente prometedor. Pero con el tiempo, los experimentadores se enfrentaron a la inestabilidad del plasma, poco comprendida en el momento del inicio del desarrollo,lo que generó problemas y la imposibilidad de alcanzar las temperaturas requeridas para la fusión termonuclear. Posteriormente, el diseño se cambió repetidamente, pero la ambiciosa instalación de MFTF estadounidense, por ejemplo, se cerró incluso antes del inicio de las pruebas, ya que los tokamaks eran en última instancia más simples, más potentes y más baratos.



De los desarrollos interesantes de este tipo, cabe destacar la GDL rusa (trampa dinámica de gas) de Novosibirsk, que se está creando sobre la base del proyecto soviético de los años 50, la trampa "abierta" "celda espejo de Budker". A partir de 2018, científicos del Instituto de Física Nuclear de Novosibirsk de la SB RAS lograron alcanzar una temperatura de 10 millones de grados, y en 2020 recibieron una subvención del Ministerio de Educación y Ciencia de la Federación de Rusia para la compra de nuevos equipos para continuar los experimentos.



Hermoso mañana: en lugar de conclusiones



Entre los científicos que se ocupan de los problemas de la fusión termonuclear, hay un dicho en broma que dice que “sólo quedan 30 años para el éxito de la investigación y el inicio del uso comercial de los reactores”, y han respondido así durante más de una década (¡estabilidad!). Sin embargo, las tecnologías continuarán desarrollándose y la humanidad buscará formas de "domesticar" la fusión termonuclear y crear un Sol artificial en miniatura que proporcionará nuestras necesidades de electricidad sin el riesgo de repetir el desastre de Chernobyl y sin dañar permanentemente la ecología del planeta. Esta investigación puede verse directamente influenciada por desarrollos como ITER, y estamos encantados de que Japón y Toshiba estén directamente involucrados. Y lo que pasará a continuación ... lo veremos en 30 años.



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