Así era el complejo ITER en construcción en febrero de 2020. El ITER puede convertirse en la primera instalación que permitirá obtener plasma termonuclear "ardiente" o autónomo. Esta instalación en construcción albergará un tokamak termonuclear y sus sistemas de soporte. Foto del archivo ITER
Habré no ignoró la noticiaque China ha lanzado un nuevo tokamak, el HL-2M Tokamak. Esta noticia es especialmente interesante porque refresca la memoria de la triste construcción a largo plazo de nuestro siglo: el futuro reactor termonuclear ITER, que está siendo construido por las fuerzas de toda Europa en el sur de Francia y debería convertirse en el primer dispositivo de este tipo que podría producir más energía de la que consume. Sin embargo, observamos con pesar que tanto el HL-2M como el ITER están deprimentemente lejos de ser una central termonuclear en toda regla.
No entraremos en los detalles del dispositivo de los tokamaks y del ITER en sí; estos temas se discuten abundantemente en todo tipo de fuentes, por ejemplo, en las noticias de habron antes mencionadas. Debajo del corte, hablaremos sobre qué camino abre ITER ante nosotros (traducido del latín “iter” significa “camino”), y por qué este camino resultó ser retorcido como un ocho estelar.
comienzo
Se puede decir que todo comenzó en la década de 1920, cuando Arthur Eddington sugirió que el sol y las estrellas podían arder mediante la conversión de hidrógeno en helio. Esta idea fue rápidamente adoptada por periodistas y escritores de ciencia ficción, quienes creían que aprovechar la energía del Sol no sería difícil y que el agua más común podría convertirse en la materia prima para el combustible de dicho reactor.
Como saben, una reacción termonuclear es físicamente opuesta a una nuclear. Si durante una reacción nuclear un núcleo pesado se divide en otros más ligeros, durante una reacción termonuclear los núcleos ligeros se fusionan en otros algo más pesados. La reacción nuclear más famosa es la fisión de un núcleo de uranio:
esta es una secuencia típica que tiene lugar en un reactor nuclear en una planta de energía nuclear.
Las reacciones termonucleares, por el contrario, proceden predominantemente con la participación de helio e hidrógeno y conducen a la formación de isótopos más pesados a partir de los más ligeros. En las estrellas de la secuencia principal, la siguiente reacción termonuclear es la más típica: los
detalles de la fusión termonuclear y las opciones de diseño para un reactor termonuclear se describen en un maravilloso artículo publicado sobre Habré por Mikhail Svarichevsky en 2013. Allí también puede leer el veredicto escéptico del autor, según el cual la energía termonuclear en toda regla es una cuestión de un futuro lejano. El artículo es realmente ardiente:
Por ahora, observamos que las dificultades técnicas que se interpusieron en el camino de la creación de una central termonuclear resultaron ser tan graves que la periodización de su desarrollo es incomparable con el ritmo de desarrollo de la energía nuclear. Cronología:
Fisión nuclear
1939 - descubrimiento (L. Meitner y O. Frisch)
1942 - reactor nuclear Enrico Fermi ("pila de leña de Chicago") - reacción nuclear controlada
1945 - primer ensayo nuclear (Trinity) y bombardeo de Hiroshima y Nagasaki - reacción nuclear incontrolada
1956 - primera planta de energía nuclear (Obninsk)
1986 - el accidente en la central nuclear de Chernobyl
Fusión nuclear
1926 - La hipótesis (A. Eddington) se expresó en el artículo "La estructura interna de las estrellas"
1934 - E. Rutherford sintetizó helio a partir del tritio
1952 - La primera explosión termonuclear se llevó a cabo en la URSS (bomba de hidrógeno, reacción incontrolada)
1954 - Se construyó el primer tokamak en la URSS
... ...
2025 - Se espera que se inicie ITER.
No obstante, en el Boletín del OIEA de 2019, la idea de crear una planta de energía de fusión se analiza con bastante seriedad e incluso a diario. Se dan tres condiciones que deben cumplirse en una central termonuclear de pleno derecho:
- Temperaturas muy altas (más de 100 millones de grados Celsius)
- Densidad suficiente de partículas en el plasma (donde tiene lugar la reacción), lo que aumenta la probabilidad de colisiones entre partículas.
- Confinamiento suficientemente fuerte, evitando posibles fugas de plasma y asegurando una reacción termonuclear estable.
Más adelante en el documento sigue un descargo de responsabilidad de que el diseño más exitoso de un reactor termonuclear en la actualidad es precisamente el tokamak.
Si aún no ha tenido tiempo de familiarizarse con los enlaces anteriores y repasar cómo se ve y funciona un tokamak, nos detendremos brevemente en este tema.
Tokamak es una palabra abreviada que significa "cámara toroidal con bobinas magnéticas". El primer tokamak se construyó en 1954 en la URSS, y el término se propuso solo en 1957. En Occidente, el interés en la construcción de tokamaks surgió mucho más tarde, en 1968, después de que un grupo de científicos británicos se familiarizara con un dispositivo de este tipo en el Instituto Kurchatov, convencidos de su eficacia. Entonces, un tokamak es originalmente una cámara de vacío toroidal llena con una mezcla de deuterio y tritio, isótopos pesados de hidrógeno. Las paredes del tokamak, por supuesto, no son capaces de retener dentro del plasma caliente en el que tienen lugar las reacciones termonucleares, por lo que el plasma se mantiene en la cámara toroidal por medio de los campos magnéticos más fuertes y, al estar allí, se asemeja a una cuerda en forma.
El indicador físico más importante que permite juzgar si una reacción termonuclear producirá más energía de la que consume el reactor es el criterio de Lawson , que se reduce a la siguiente formulación:
Para que la fusión termonuclear se convierta en una fuente de energía, el producto de la densidad de las partículas y el tiempo de su confinamiento a una distancia extremadamente cercana entre sí debe exceder un cierto valor.
En la actualidad, se considera que la reacción termonuclear más favorable desde el punto de vista energético es la fusión termonuclear que involucra dos isótopos de hidrógeno: deuterio y tritio. Cuando un núcleo de deuterio y un núcleo de tritio se fusionan, se forma un núcleo de helio más un neutrón de muy alta energía. Si se cumplen las condiciones necesarias, la energía liberada en este caso es suficiente para posteriores reacciones termonucleares. Además, la reacción deuterio-tritio es la más conveniente desde un punto de vista práctico, ya que la barrera de Coulomb se supera más fácilmente durante ella , y esta reacción se mantiene más convenientemente en condiciones creadas artificialmente.
Cabe señalar que, junto con el par deuterio-tritio ,tres variantes más de reacciones termonucleares que potencialmente pueden aplicarse en la industria. Aquí están todos:
- Deuterio + deuterio (tritio y protón 4.0 MeV),
- Deuterio + deuterio (helio-3 y neutrón, 3,3 MeV),
- Deuterio + tritio (helio-4 y neutrones, 17,6 MeV),
- Deuterio + helio-3 (helio-4 y protón, 18,2 MeV).
Volveremos a la cuarta reacción, la más favorable desde el punto de vista energético, a continuación.
Un factor importante que limita la base de recursos para la energía termonuclear es la necesidad de extraer deuterio y producir tritio. Detengámonos en ello con más detalle.
Reproducción de tritio
El deuterio es relativamente abundante en la naturaleza y se puede recuperar en cantidades suficientes del agua de mar. El tritio, aunque está presente en la naturaleza, es demasiado raro para extraerlo en cantidades útiles. Por tanto, habrá que sintetizarlo industrialmente. Actualmente, el tritio se extrae del refrigerante de reactores de agua pesada o se obtiene bombardeando blancos de litio en reactores de agua ligera.
Se supone que la operación de una planta de energía termonuclear de 500 megavatios requerirá alrededor de 50 kilogramos de combustible de tritio por año. Este valor no solo supera en gran medida las capacidades de la industria moderna, que permite obtener alrededor de 2-3 kg de tritio por año, sino que tampoco tiene en cuenta el costo de producción, que alcanzará los miles de millones de dólares. En consecuencia, la ingeniería termonuclear requiere el desarrollo de un método que permita multiplicar el tritio directamente en la estación. Afortunadamente, la propia reacción termonuclear podría potencialmente convertirse en un método de este tipo.
Al rodear el tokamak con una manta de litio, es posible (con la liberación de calor) obtener tritio, cuando los núcleos de litio capturarán los neutrones formados durante la fusión y se transformarán espontáneamente en tritio. Actualmente se encuentran en desarrollo soluciones tecnológicas para la recolección del tritio generado de esta manera.
Además, una pregunta pertinente es: ¿la energía termonuclear es tan respetuosa con el medio ambiente y energéticamente beneficiosa? Estas son algunas de las objeciones planteadas en el artículo mencionado anteriormente de Mikhail Svarichevsky:
- — . D+T , — ~10 , . 5-10 .
- Q=10 ( 10 , ). ITER 2030- .
- Q=10, , - , . ( -)
- No hay mucho combustible termonuclear: el tritio es muy caro y escaso. Su producción no es ni más simple ni más barata que la obtención de plutonio a partir de desechos de uranio o U-233 a partir de torio.
- Helio-3: no ayudaría a la humanidad de ninguna manera, incluso si hubiera montañas en la tierra. La reacción parasitaria D + D seguirá dando radiación, y la temperatura óptima es de mil millones de grados, mucho más difícil que la D + T por la que la humanidad está luchando en este momento.
Y esto es lo que señala el OIEA sobre el respeto al medio ambiente de las centrales termonucleares:
El proceso de fusión termonuclear más simple involucra dos isótopos de hidrógeno: deuterio y tritio. El tritio es radiactivo, pero su vida media es corta (12,32 años). Se usa solo en pequeñas cantidades y, por lo tanto, no presenta el mismo peligro que los núcleos radiactivos de larga duración. Como resultado de esta reacción del deuterio con el tritio, se forman un átomo de helio (un gas inerte) y un neutrón. La energía de estos productos (átomos y neutrones) se puede aprovechar para alimentar un reactor y generar electricidad, respectivamente. En consecuencia, no quedan residuos radiactivos de larga duración de reacciones termonucleares. Pero el proceso de fusión produce materiales activados por neutrones que rodean el plasma. En otras palabras, cuando los neutrones (un producto de la reacción de fusión) golpean las paredes del reactor, el reactor en sí y sus componentes se vuelven radiactivos.Por lo tanto, durante la construcción de centrales termonucleares en el futuro, será necesario optimizar su diseño de tal manera que se minimice dicha radiactividad neutrónica y el volumen de residuos radiactivos que se generen como resultado.
Por tanto, el ITER puede considerarse no tanto un supertokamak como un prototipo de prueba de una central termonuclear, que permitirá evaluar los retos tecnológicos y medioambientales a los que se enfrenta la industria. Entre ellos: mejoramiento de tritio, monitoreo de plasma, diagnósticos avanzados, anti-desgaste de estructuras. Además, queda por ver cuánto tiempo la vasija del reactor puede resistir la exposición al plasma caliente.
Como cualquier tecnología prometedora, la energía termonuclear ya está generando sus propias "startups". Estos son los más importantes:
- TAE Technologies. TAE (, ) 20 « ». TAE - (DT), . , – , DT – , - . FRC (. ).
- Commonwealth Fusion Systems (CFS). -, . CFS , , ITER. REBCO , (ITER - ). , , .
- General Fusion. , « » (MTF). MTF , - . , , , . .
- Energía Tokamak . La compañía, con sede en el Reino Unido, tiene como objetivo lanzar la fusión tradicional utilizando un tokamak, pero utiliza un tokamak que se parece a una esfera en lugar de una rosquilla. Esta unidad se llama ST40 y actualmente se está investigando. Se supone que en él se pueden alcanzar temperaturas de hasta 15 millones de grados Celsius.
Como se desprende de lo anterior, en el primer tercio del siglo XXI, llegamos al estudio de todas estas tecnologías exóticas de fusión termonuclear principalmente por tres razones que complican el uso industrial de dicha energía:
- Dificultad para extraer tritio.
- La complejidad del confinamiento estable del plasma magnetizado dentro del reactor.
- La complejidad de la eliminación de desechos radiactivos: debido al efecto de los neutrones, el reactor en sí se vuelve radiactivo.
Golconda regolítica
Y aquí es el momento de pasar a la parte final de nuestra excursión: preste atención al helio-3, que participa en la cuarta de las reacciones termonucleares más importantes mencionadas anteriormente:
Deuterio + helio-3 (helio-4 y protón, 18,2 MeV)
El rendimiento energético es notablemente mayor 17,6 MeV generados por la reacción del tritio, y en lugar de un neutrón tenemos un protón como subproducto, que resuelve en gran medida el problema de la contaminación radiactiva.
El principal problema es que el helio-3 (cuyo núcleo consta de dos protones y un neutrón) es extremadamente raro en comparación con el isótopo principal helio-4 (dos protones y dos neutrones): la proporción de helio-3 en la Tierra es 0,000137% (1,37 ppm); la principal fuente de este isótopo en nuestro planeta es el viento solar.
Pero en 1986, expertos del Instituto de Tecnología de Fusión de la Universidad de Wisconsin determinaron que el suelo lunar, el regolito, podría contener un millón de toneladas de helio-3. La extracción de helio-3 en la Luna puede ser una empresa comercialmente viable, ya que la energía extraída de ella es 250 veces mayor que la energía necesaria para su extracción y entrega a la Tierra. Las reservas lunares de helio-3 pueden ser suficientes para proporcionar energía termonuclear durante siglos.
Los neutrones formados durante la fusión deuterio-tritio escapan del reactor, ya que no tienen carga eléctrica y, por lo tanto, no pueden ser contenidos por un campo electromagnético. Por el contrario, los protones, un subproducto de una reacción termonuclear con helio-3, tienen una carga positiva y no es difícil capturarlos. Además, puede utilizar la energía de los propios protones, que irá directamente a la generación de electricidad. En este caso, no es necesario obtener vapor de agua para hacer girar la turbina; es sobre este principio que se genera energía en las centrales nucleares modernas.
Así, la exploración de la luna adquiere un valor práctico no ilusorio. El desarrollo de tecnologías de fusión termonuclear, posiblemente inicialmente basadas en la fusión de deuterio-tritio, podría convertirse en una etapa en el camino hacia la autosuficiencia energética de la industria minera del regolito lunar, cuyo propósito es proporcionar a la Tierra combustible termonuclear.
Nos hemos metido tanto en la ciencia ficción aquí que es hora de poner fin con cuidado a esta publicación y agradecer a todos los que terminaron de leerla y están listos para discutirla.
Aunque, a modo de epílogo, propongo mirar esteun antiguo artículo de la revista "El gato de Schrödinger". No solo tiene imágenes geniales, sino que también abrió un puente entre el tema que cubrimos aquí y el tema de la terraformación. En esta industria del futuro, aparentemente, la fusión también es indispensable.
Hasta ahora, tanto ITER como la ruta completa descrita están lejos de estar completos. Pero me gustaría esperar que el camino sea dominado por el caminante.