Fusión nuclear

En química nuclear y 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 estar más cerca entre sí, utilizando una gran cantidad de energía para vencer la repulsión electromagnética . La fusión de los 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 de los núcleos que reaccionan. En cambio, para 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 y el blindaje de neutrones .

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

Historia

Partiendo de los experimentos de Ernest Rutherford sobre la transmutación de núcleos , realizados a principios del siglo XX , la fusión de isótopos pesados ​​de hidrógeno en laboratorio fue realizada por primera vez por Mark Oliphant en 1932: en el mismo año James Chadwick descubrió la partícula de neutrones . Durante el resto de esa década, las principales etapas del ciclo de fusión nuclear en 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 Invernadero ). La fusión nuclear fue utilizada con fines bélicos por primera vez el 1 de noviembre de 1952 , durante la explosión de la bomba H denominada Ivy Mike en la jerga .

La investigación sobre el desarrollo de la fusión termonuclear controlada para fines civiles comenzó sistemáticamente en la década de 1950 y continúa en la actualidad. Entre otros, algunos proyectos están en marcha en 2021 con el objetivo de demostrar la tecnología: ITER [3] , SPARC , DEMO y ARC . En Italia , ENEA está estudiando la posibilidad de construir un reactor de fusión nuclear controlada con confinamiento magnético, del tipo más tradicional, el tipo tokamak .

Descripción

Descripción general de las reacciones

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

Para la realización de reactores de fusión , el primer problema hasta ahora ha sido el de identificar reacciones que tengan una temperatura baja (técnicamente hablando de energía umbral ). El primer pensamiento claramente se dirigió naturalmente a la imitación de la naturaleza: sabemos que la fusión es la fuente de energía de las estrellas , incluido el Sol , en el que el gas caliente se mantiene confinado y cohesivo por su propia gravedad, como fue el caso explicado en el párrafos anteriores. Las reacciones de las estrellas, sin embargo, desafortunadamente tienen temperaturas de 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 las estrellas (reacción deuterio-deuterio y ciclo carbono-nitrógeno-oxígeno ):

( 4 Helio-4 , 3 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 de 6 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 Él 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. de unos 200 millones de grados . De hecho, en la jerga técnica, la temperatura se expresa en kiloelectronvoltios : 200 millones de grados equivalen a 20 keV (para hacer esta conversión hay que multiplicar por la constante de Boltzmann ). La desventaja de la reacción estándar DT, la más fría, es la producción de neutrones de altísima energía (14,1 MeV): para dar una idea, unas 7 veces la energía estándar de un neutrón de fisión rápida, que corresponde a la que produce la fisión nuclear. reacción del uranio 235 . El problema con los neutrones rápidos es que, al estar descargados, no pueden ser 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 radiactivos los aceros , el hormigón armado y otros materiales estructurales convencionales , transformando los elementos químicos que contienen: el fenómeno se denomina activación de neutrones . Por lo tanto, la presencia de neutrones rápidos hace necesario el uso de escudos muy pesados ​​(típicamente plomo u 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 de litio, al fluir detrás de las paredes de plasma de litio o una aleación de plomo y litio donde el plomo protege hacia afuera y ayuda a multiplicar los neutrones rápidos al aumentar la tasa de conversión de litio en tritio.

Reacción aneutrónica

La fusión 3 He+D es el representante tecnológicamente más importante de las fusiones aneutrónicas .

Su temperatura umbral para la reacción 3 He+D se ha medido en unos 580 millones de grados (50 keV), y la de DT es de 175 millones de grados (15 keV): el aumento de temperatura es de unos 3,3 (ver la figura anterior con las curvas de probabilidad de reacción a varias temperaturas).

Esta reacción podría resultar interesante como alternativa a T+D, pero sería necesario aumentar la intensidad del campo magnético , y por tanto la capacidad de confinamiento, en más de 6 veces , lo que podrían ofrecer los electroimanes que emplean tecnología superconductora a alta temperatura . Estos, naturalmente, serían mucho más capaces de mantener el plasma confinado y cohesivo que, por ejemplo, los imanes superconductores de baja temperatura, que generan 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 por la proximidad de las curvas de las reacciones de 3 He + D y D + D en esta región de temperatura. Los neutrones de la reacción estándar D + T tienen de hecho una energía muy alta, unas 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

Hay 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 (unos 2,5 MeV). El umbral de temperatura de la reacción, sin embargo, es incluso mayor que en el caso del 3 He + D, por lo que incluso con los nuevos imanes basados ​​en superconductores de alta temperatura se cree que no se podrá alcanzar en unas pocas decenas de años.

Cinética de las reacciones

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

E = mc2 _

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 inferior a la suma de las masas de los núcleos que reaccionan, lo que da como resultado 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 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 no controlada para bombas de hidrógeno y de forma controlada en reactores de fusión termonuclear , todavía en fase experimental.

La energía potencial total de un núcleo es considerablemente mayor 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 DT que se muestra a continuación es de 17,6 MeV, es decir, más de un millón de veces la primera. Por lo tanto, con un gramo de deuterio y tritio sería posible producir la energía desarrollada por 11 toneladas de carbón .

Los átomos que intervienen 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 gases de efecto invernadero y con la producción de cantidades limitadas de desechos radiactivos, incluido el tritio; una pequeña cantidad de radiactividad residual afectaría solo a algunos componentes del reactor de fusión sometidos al bombardeo de neutrones durante los procesos de fusión. Además, 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 y no bélicos o para generar electricidad y también como sistema de propulsión de cohetes , potencialmente mucho más eficiente y de mucho menor impacto ambiental tanto la fisión nuclear reactores , o producción centralizada de energía convencional representada principalmente por centrales termoeléctricas y centrales hidroeléctricas .

El principal problema desde la década 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 alcanzado el balance energético positivo, también se debe asegurar 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 tipo tokamak ). ITER es un proyecto de cooperación internacional entre la Unión Europea , Rusia , China , Japón , los Estados Unidos de América , Corea del Sur e India . Sin embargo, ITER aún no es el prototipo de una planta de producción de electricidad, sino solo una máquina experimental diseñada para demostrar que puede obtener las condiciones necesarias de ganancia de energía . DEMO , por su parte, es el prototipo de unidad central que están estudiando los mismos participantes en el proyecto ITER. [4]

El proyecto Commonwealth Fusion Systems SPARC , en el que Eni es el mayor accionista, tiene como objetivo crear un reactor de fusión experimental que sea más compacto y económico que el de ITER. En septiembre de 2021 se probó un prototipo para demostrar que es posible crear una cámara de fusión en la que el confinamiento del plasma esté asegurado mediante imanes superconductores de alta temperatura [5] .

Confinamiento magnético

Un plasma está formado por partículas cargadas y, por lo tanto, puede ser 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 (figura geométrica en forma de "rosquilla") es una configuración cerrada sobre sí misma en torno a 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 aún está presente.

Cada uno de estos sistemas de confinamiento tiene diferentes realizaciones, que se diferencian entre sí por enfatizar la eficiencia del confinamiento o por 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, octupolos, 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 sencilla que otras para una implementación de laboratorio. Ello, unido a una futura perspectiva retributiva, lo ha convertido en el sistema sobre 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 stellarator (que se caracteriza por la ausencia de un circuito para generar 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, se puede mejorar el confinamiento dando al plasma presente en el Pinch de campo inverso una forma helicoidal. [6]

El 5 de septiembre de 2021, la empresa estadounidense Commonwealth Fusion Systems probó con éxito un prototipo a escala 1:1 de un imán basado en superconductores HTS (High Temperature Superconductors) . El experimento demostró por primera vez que es posible realizar una cámara de fusión en la que se consiga el confinamiento del plasma mediante este tipo de superimanes. Este tipo de cámara de fusión permitirá la construcción de un reactor experimental , llamado SPARC, mucho más pequeño que los otros prototipos actualmente en desarrollo [5] . Los datos recopilados por SPARC permitirán la creación de ARC, la primera planta piloto industrial capaz de alcanzar las temperaturas necesarias para hacer posible la fusión controlada de deuterio y tritio. Según las previsiones de CFS, el reactor SPARC podría empezar a funcionar ya en 2025 [7] .

Confinamiento inercial

El combustible nuclear puede comprimirse al encenderse mediante un bombardeo de fotones, otras partículas o mediante una explosión. [8] [9] 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 , a la temperatura de fusión. La explosión de la bomba de fisión genera una serie de rayos X que crean una onda térmica que, propagándose 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 grandes láseres enfocados en una pequeña cantidad de combustible, o el uso de iones del propio combustible acelerados a una región central, como en el primitivo fundidor Farnsworth-Hirsch. el fusor Polywell .

Boro

En 2004 , científicos rusos, liderados por Krainov , fueron capaces de producir una reacción de fusión nuclear controlada provocada por confinamiento láser, entre protones (átomos de hidrógeno sin un electrón) y átomos de boro , a una temperatura de mil millones de kelvins , 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 [10] [11] [12] .

En enero de 2013, un grupo de investigadores italianos y checos dirigidos por el Dr. Antonino Picciotto (instalación 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 silicio-boro y un láser con una intensidad 1000 veces menor en comparación con experimentos anteriores. . [13]

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 de una capa exterior de hidrógeno: este dispositivo se denomina bomba H. Hasta el momento este dispositivo nunca ha sido utilizado en un objetivo civil, sino que solo se experimentó en sitios de prueba llevados a cabo por las grandes potencias de la guerra fría sobre todo durante las décadas de los 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 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 planeta durante esos años.

Notas

  1. ^ JK Shultis, RE Faw, Fundamentos de ciencia e ingeniería nucleares , CRC Press , 2002, p. 151, ISBN 0-8247-0834-2 .  
  2. ^ Hans A. Bethe, The Hydrogen Bomb , Bulletin of the Atomic Scientists, abril de 1950, página 99. Obtenido de books.google.com el 18 de abril de 2011.
  3. ^ a b Progreso en Fusion , en iter.org , ITER . Consultado el 15 de febrero de 2010 .
  4. ^ ITER & Beyond Archivado el 22 de septiembre de 2012 en Internet Archive .
  5. ^ a b Fusión por confinamiento magnético, Eni anuncia el éxito de la prueba Cfs , en wired.it .
  6. ^ Fusión nuclear: Audio-entrevista con Francesco Gnesotto, director del Consorcio RFX de Padua.
  7. ^ Energía nuclear limpia, Eni inaugura la era de la fusión por confinamiento magnético , en ilsole24ore.com .
  8. ^ F. Winterberg " Superexplosivos metaestables conjeturados formados bajo alta presión para ignición termonuclear "
  9. ^ Zhang, ventilador; Murray, Stephen Burke; Higgins, Andrew (2005) " Método de detonación supercomprimido y dispositivo para efectuar dicha detonación "
  10. ^ LAS CIENCIAS : Científicos rusos logran producir una reacción de fusión entre protones y átomos de boro sin la emisión de neutrones y partículas radiactivas
  11. ^ VP Krainov Fusión inducida por láser en una mezcla de boro e hidrógeno . Archivado el 30 de diciembre de 2011 en Internet Archive .
  12. ^ H. Horaa, GH Mileyb, M. Ghorannevissc, B. Malekyniac y N. Azizib Camino óptico láser hacia la energía nuclear sin radiactividad: fusión de hidrógeno - boro mediante bloques de plasma impulsados ​​​​por fuerzas no lineales
  13. ^ A. Picciotto, D. Margarone, A. Velyhan, P. Bellutti, J. Krasa, A. Szydlowsky, G. Bertuccio, Y. Shi, A. Mangione, J.Prokupek, A. Malinowska, E. Krousky, J. Ullschmied, L. Laska, M.Kucharik y G. Korn, Mejora de la fusión nuclear con boro y protones inducida en objetivos de silicio dopados con boro por Láser pulsado de bajo contraste , en Physical Review X , vol. 4, núm. 031030.

Bibliografía

Artículos relacionados

Otros proyectos

Enlaces externos