El “sol artificial”: el cambio en la producción energética #IME #Ingeniería #ESCAT #CompartiendoESCAT

Lo llaman sol artificial porque es la misma fuente de energía que utiliza nuestra estrella más cercana. Es uno de los avances de la ciencia más prometedores y responde al nombre técnico de fusión nuclear: una energía prácticamente limpia que las grandes potencias llevan persiguiendo durante décadas. Tanto es así que hace cincuenta años se decía que solo quedaban cincuenta para lograrlo.

China acaba de batir el récord de reacción de fusión nuclear más prolongada: 120 millones de grados Celsius durante 101 segundos.

Sol artificial chino.
Lo llaman sol artificial porque es la misma fuente de energía que utiliza nuestra estrella más cercana.

¿Qué es la fusión nuclear o el sol artificial?

Las centrales nucleares convencionales funcionan liberando energía a partir de la fisión. Es decir, “rompiendo” átomos. Así, se utiliza uranio enriquecido bombardeado con neutrones para iniciar una reacción nuclear en cadena.

Estas centrales llevan operando más de medio siglo. Concretamente, la primera central nuclear conectada a la red eléctrica se inauguró en la URSS en 1954. Sin embargo, tal como nos mostró la serie sobre la catástrofe nuclear de Chernóbil, no están exentas de riesgos.

Por un lado, tenemos las reacciones en cadena descontroladas. Si bien sus consecuencias son catastróficas, este tipo de eventos es extremadamente anómalo. El verdadero problema de la fisión nuclear reside en los residuos generados, que pueden mantener una radiactividad peligrosa durante siglos.

En cambio, la fusión nuclear o sol artificial ofrece la posibilidad de generar energía de forma segura y sin apenas residuos. Debido a su reducida huella de carbono, podría ser una herramienta formidable contra el cambio climático.

Fusión nuclear: el trascendental avance científico para aprovechar la  fuente de energía del sol (y por qué importa) - BBC News Mundo
“El deuterio presente en un litro de agua de mar puede producir la energía equivalente a trescientos litros de petróleo.”

¿Cómo se logra?

Fundamentalmente, uniendo dos núcleos ligeros en uno solo pesado sometiéndolos a gran presión y temperaturas muy elevadas. Esta reacción también libera energía debido a que el núcleo resultante tiene menos masa que los dos iniciales por separado.

“El deuterio presente en un litro de agua de mar puede producir la energía equivalente a trescientos litros de petróleo.”

Normalmente, el combustible utilizado para crear un sol artificial se basa en isótopos de deuterio y tritio. El deuterio puede extraerse del agua de mar, mientras que el tritio se obtiene del litio. Ambos elementos son muy abundantes en términos absolutos y prácticamente infinitos en comparación con el uranio.

Para hacerse una idea de la energía liberada en un proceso de fusión, basta con señalar que unos pocos gramos de combustible pueden producir un terajulio: suficiente para cubrir las necesidades de energía de una persona en un país desarrollado durante seis años.

¿GENERA LA FUSIÓN NUCLEAR RESIDUOS RADIACTIVOS?

Un sol artificial genera muy pocos residuos radiactivos.
También se produce una pequeña cantidad de residuos radiactivos derivados del tritio.

La reacción de fusión también genera residuos. En su mayor parte se trata de helio, un gas inerte. No obstante, también se produce una pequeña cantidad de residuos radiactivos derivados del tritio.

Por suerte, decaen mucho antes que sus equivalentes en la fisión. Concretamente, pueden reutilizarse o reciclarse en menos de cien años.

Por otro lado, los flujos de neutrones generados en el proceso de fusión pueden afectar a los materiales circundantes, que en ausencia de protección se vuelven gradualmente radiactivos. Así, el blindaje de las estructuras de los reactores será otro aspecto de crucial importancia.

¿Cómo funciona un sol artificial?

Es preciso aplicar una presión y una temperatura muy elevadas. Lo suficiente para que el combustible se convierta en un plasma extremadamente caliente. Los átomos deben colisionar entre sí a una temperatura de al menos cien millones de grados Celsius y, a la vez, con una presión suficiente para acercarlos tanto como para que la fuerza de atracción nuclear supere a la repulsión eléctrica.

Por establecer un tosco paralelismo, sería como vencer la repulsión de dos imanes con la misma polaridad hasta lograr pegarlos con un adhesivo.

El sol artificial genera de grados Celsius.

Para conseguir estas condiciones extremas se recurre a campos magnéticos y poderosos rayos láser que se concentran sobre el combustible. Una vez alcanzado el estado de plasma ultracaliente hay que seguir añadiendo combustible y, a la vez, lograr contener la elevada emisión de calor sin destruir el reactor.

No existe ningún material capaz de soportar cien millones de grados Celsius sin fundirse instantáneamente. Y ahí es donde entra en juego el confinamiento del plasma.

Últimos avances en fusión nuclear

Uno de los últimos avances en fusión nuclear ha tenido a China como protagonista.

En mayo de 2021, los investigadores del Southwestern Institute of Physics (SWIP) en Chengdu, China, anunciaron que su reactor HL-2M había batido todos los récords en pruebas de fusión nuclear.

Si bien es un proceso complejo, el mayor reto no es la fusión en sí, ya que son numerosos los reactores que la han logrado durante los últimos años. El verdadero desafío es mantenerla en el tiempo: pocos han conseguido ir más allá de unos segundos.

Y ahí es donde los científicos del SWIP se han colgado la medalla: han alcanzado temperaturas de 150 millones de grados Celsius durante 101 segundos. La plusmarca anterior, en manos de Corea del Sur, era de 20 segundos.

Este reactor, de tipo tokamak, se ha bautizado como “sol artificial”, aunque en realidad su temperatura es diez veces mayor que la del núcleo del sol. Ahora todas las miradas se concentran en la mayor apuesta internacional: el ITER. Este gigantesco proyecto en el que participan 35 países acaba de completar su primera fase de construcción. Si todo sale bien, el reactor final será capaz de generar 500 MW allá por el año 2035.

¿Cuáles son los reactores de fusión más habituales?

Al igual que el HL-2M, el ITER es un reactor de tipo tokamak, uno de los múltiples diseños que se están probando en estos momentos. La clasificación de reactores de fusión viene definida principalmente por los tipos de confinamiento del plasma y la forma de calentarlo. Tal como indica la Asociación Nuclear Internacional, se podrían mencionar las siguientes tecnologías de fusión:

  • Confinamiento magnético
  • Confinamiento inercial
  • Fusión magneto-inercial (MTF)
  • Fusión híbrida

CONFINAMIENTO MAGNÉTICO

Esta técnica es la más habitual y consiste en emplear potentes electroimanes para confinar el plasma, que se calienta por medio de una corriente eléctrica y sistemas auxiliares como microondas o partículas aceleradas. Los campos magnéticos utilizados reciben el nombre de toroidales, término derivado de “toro”, lo que viene a ser una rosquilla en términos matemáticos.

Este diseño procede de los trabajos de los físicos rusos Sajarov y Tamm, que diseñaron el primer tokamak en 1951. En función de la forma que adoptan las cámaras de confinamiento y el tipo de electroimanes, estos reactores de fusión pueden dividirse en cuatro tipos:

  1. Tokamak, el reactor clásico con forma de “donut”
  2. Estelarizadores
  3. De estricción magnética de campo invertido (RFP)
  4. Toroides compactos

CONFINAMIENTO INERCIAL

Este tipo de confinamiento es una de las líneas de investigación más recientes. Utilizado por reactores como el del National Ignition Facility (NIF) en EE. UU. o el de First Light Fusion en el Reino Unido, apuesta por el uso de cientos de rayos láser o la creación de ondas de choque para comprimir una microcápsula de combustible.

Fusión en confinamiento inercial.
Confinamiento inercial.

En el caso del NIF, se han utilizado 192 rayos láser ultravioleta que se proyectan sobre una microcápsula de deuterio y tritio congelados.

Por ahora, el NIF solo ha logrado una ignición de unas milmillonésimas de segundo, mientras que el proyecto de First Light Fusion aún se encuentra en una fase de desarrollo temprana.

FUSIÓN MAGNETO-INERCIAL (MTF)

Como su propio nombre indica, estos reactores combinan características propias de los reactores toroidales y del confinamiento inercial. Las primeras propuestas de este diseño datan de los años setenta del siglo pasado, pero la tecnología MTF solo ha empezado a coger carrerilla en la última década. En estos momentos hay varias compañías que están trabajando en reactores experimentales MTF.

MTF Reactor Concept.

Al igual que los tokamak, el plasma está confinado por medio de un campo magnético. Sin embargo, el calentamiento se lleva a cabo por medio de una serie de pistones gigantes que generan una onda de choque. Puedes ver un modelo de reactor MTF en acción en este vídeo.

FUSIÓN HÍBRIDA

Este tipo de reactores combinan un reactor de fisión que cubre el núcleo donde se produce el proceso de fusión. De este modo, la fusión genera neutrones que impactan sobre la capa de materiales fisibles que rodea el núcleo.

La ventaja de este tipo de tecnología es que no requiere el uso de plutonio o isótopos de uranio U-235 para llevar a cabo la fisión, sino que es capaz de lograrla con cualquier isótopo de uranio. Puede funcionar incluso con desechos radiactivos procedentes de reactores de fisión.

No habría riesgos de una reacción en cadena descontrolada y se generarían menos residuos radiactivos que en la fisión convencional. De paso, se dispondría de una manera de procesar los residuos ya existentes y reducir su peligrosidad

El primer diseño data de 1977 y, como el tokamak, fue obra de científicos soviéticos. De las cuatro tecnologías mencionadas, es la que ha registrado un menor desarrollo experimental. Por ahora, uno de los pocos avances significativos procede del Instituto Kurchatov, en Rusia, que anunció un diseño preliminar en 2020.

Con un poco de suerte, en la próxima década veremos alguno de estos reactores plenamente operativos. Por supuesto, mientras ese sol artificial se convierte en realidad, seguiremos aprovechando el que ya tenemos gracias a tecnologías como las células fotovoltaicas. Junto con la eólica, la energía solar actual constituye la mejor garantía para una transición hacia una economía más sostenible.

Fuente: I’MNOVATION

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