NeoFronteras

Nuevo reactor de fusión

Área: Física — lunes, 31 de agosto de 2015

Una compañía privada anuncia muy buenos resultados de confinamiento de plasma de fusión con un nuevo sistema.

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Cada veinte años se promete que en veinte años se habrá conseguido la fusión nuclear controlada. Eso proporcionaría una fuente de energía inagotable y supuestamente limpia que no generaría residuos radiactivos (esto último no es cierto).
Hace diez años, cuando este sitio web comenzaba, se anunciaba a bombo y platillo el comienzo de la construcción de ITER, el reactor de fusión nuclear más grande diseñado hasta la fecha. Desde entonces no se ha avanzado mucho en la consecución de esta meta, incluso siendo un esfuerzo internacional.
Este reactor, como muchos otros, se basa en un diseño de tipo tokamak. Básicamente consiste en un anillo magnético en forma toroidal. En su interior se inyecta un plasma de hidrógeno que, debido a la alta temperatura, se fusiona produciendo energía.
Una botella magnética es la única que puede contener un plasma de fusión sin destruir el propio contenedor. Un contenedor de materia ordinaria se fundiría en el acto.
Lo malo es que el plasma dentro de un campo magnético es inestable. Si el tokamak es pequeño, en una fracción de segundo el plasma toca las paredes del sistema, se contamina y ya no puede haber más reacciones de fusión. Por eso se tiende a hacer tokamaks cada vez más grandes, como el ITER.
A lo largo del siglo pasado se propusieron diversos diseños de contenedores magnéticos, pero finalmente lo que se adoptó fue el Tokamak porque a base de fuerza bruta (haciéndolo cada vez más grande) parecía que se podía conseguir la ansiada fusión controlada. Esto significa grandes cantidades de dinero público invertidas en este tipo de proyectos.
Ahora, una enigmática empresa afincada en Los Ángeles llamada Tri Alpha Energy ha conseguido un excelente confinamiento de plasma de fusión con un diseño diferente. Ha conseguido nada menos que 10 millones de grados centígrados durante 5 milisegundos. Han pasado de una habitación vacía a este logro en sólo 8 años.
Según los físicos del campo, este logro es excelente y permite albergar esperanzas de que escalando el dispositivo se consiga un reactor funcional. Los investigadores implicados en el proyecto esperan sustituir este reactor por una más potente que quizás legue a los 3000 millones de grados necesarios para la fusión nuclear durante mayor tiempo.
Es precisamente el tiempo de confinamiento del plasma lo que limita este tipo de reactores. Parece que los de Tri Alpha han conseguido un mejor confinamiento que con los tokamaks, pero está por ver si finalmente logran la meta. De momento habrá que darles el beneficio de la duda y esperar dos o tres años a ver qué pasa.
Los principios físicos de este reactor son los mismos que los del tokamak. No se puede haber fusión espontánea porque los iones de hidrógeno tienen carga positiva y se repelen entre sí. Si la temperatura es muy alta la agitación térmica puede sobrepasar esa barrera de potencial coulombiana y dejar actuar a la fuerza nuclear fuerte (que es de corto alcance) para que se realice la fusión.
Lo que varía en este caso es el diseño de la botella magnética. En lugar se ser un rosquilla como en el caso del tokamak, se trata de un campo magnético producido por un sistema lineal de 23 metros de largo en configuración invertida que permite inyectar haces de partículas en su centro, en donde hay campos magnéticos y electrodos extras. Esta aproximación de configuración de campo invertido (FRC en inglés) se conoce desde los años sesenta, pero no se habían conseguido hasta ahora tiempos de confinamientos largos con ella.
En el interior del dispositivo se forman dos paquetes de plasma, cada en un extremo del dispositivo y luego se les hace colisionar en el centro a un millón de km por hora. En ese punto la energía cinética es transformada en calor. Además, lanzando haces de partículas de forma tangencial sobre ese punto se evita la inestabilidad que el plasma caliente tiene debido a las turbulencias y a las propias del confinamiento (el plasma tiende a querer ser libre y no dejarse confinar).
Este nuevo diseño permitiría realizar reactores de fusión más pequeños y económicos que el mastodóntico ITER. Además, puede operar con distintos isótopos, como la mezcla de boro e hidrógeno. Pero para esta reacción se necesitan temperaturas más altas.
Para el año que viene esperan tener un reactor nuevo más grande que eleve la temperatura en 10 veces la marca actual con este diseño y emplee una mezcla de deuterio-tritio en la que se produzca fusión nuclear. Como esta reacción produce neutrones, planean usar un blindaje especial. Los neutrones degradan los materiales con los que colisiona y los activa radiactivamente, por lo que no parece que esta reacción sea factible comercialmente en un futuro. La meta es usar la mezcla hidrógeno-boro que no genera neutrones, siendo además el boro un elemento abundante en la corteza terrestre.
¿Hemos resuelto ya con esto el problema de la energía? Esta por ver si escalando este sistema finalmente se tiene fusión sin problemas. Si finalmente se consiguiera la fusión comercial boro-hidrógeno de este modo, pongamos que en 20 años, tampoco sería la panacea. Un reactor de este tipo sería muy caro y su amortización no muy clara. Sería estupendo si con ello dejamos que quemar combustibles fósiles, pero el petróleo es, por desgracia, demasiado barato para ser sustituido, sobre todo mientras tanto. El calentamiento global será ya inevitable.
Si eliminásemos todas nuestras emisiones pasadas y presentes y usáramos la fusión para nuestras necesidades energéticas y esta fuera muy barata tampoco pinta bien el futuro en este caso. Como nuestro crecimiento es exponencial, los océanos terrestres no tardarían mucho tiempo en hervir sólo con el calor disipado por la energía consumida y su generación. Los crecimientos exponenciales sobre recursos finitos no llevan nunca a buen puerto.

Copyleft: atribuir con enlace a http://neofronteras.com/?p=4749

Fuentes y referencias:
Nota en Science.
Artículo antiguo sobre el tema.
Ilustración: Physorg.

Salvo que se exprese lo contrario esta obra está bajo una licencia Creative Commons.
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15 Comentarios

  1. pvl:

    “Como nuestro crecimiento es exponencial, los océanos terrestres no tardarían mucho tiempo en hervir sólo con el calor disipado por la energía consumida y su generación”.
    Que comentario tan poco científico.

  2. NeoFronteras:

    plv:
    Estudie un poco de Termodinámica y aplique la función exponencial, verá que en un tiempo geológicamente corto el calor de disipación sería suficiente como para para calentar la Tierra por encima del punto de ebullición. Los cálculos están hechos. Naturalmente no se llegaría a ese punto porque antes la vida, incluida la humana, no sería posible.

  3. tomás:

    Nuestro compañero pvl, no toma suficientemente en serio las palabras de Neo y, sin embargo, no recuerdo haberle pillado nunca en una exageración, ni error parecido. ¡La función exponencial es terrible!, amigo pvl.

  4. lluís:

    ¿3000 millones de grados son necesarios para la fusión nuclear?. Pero si esa temperatura no se da ni en el interior del Sol, que sí hace fusión nuclear. ¿No sobrarán un par de ceros por ahí?

  5. lluís:

    Rectifico el comentario anterior porqué al leer la nota en Science, dice que esos 3000 millones de grados se precisan para la reacción de fusión “hidrógeno-boro”. Y supongo que tantísimos millones de grados son los que precisa esa reacción de fusión ya que la reacción en cadena protón-protón en nuestro sol funciona a 15 millones de grados.

  6. NeoFronteras:

    Estimado Lluís:
    Hay un factor importante en esto de la fusión por plasma que es la densidad. En el interior del Sol la densidad es muy alta, mucho mayor que lo que podemos alcanzar en este tipo de dispositivos. Por tanto, la temperatura para la fusión en el Sol es inferior a la necesaria que se necesitaría en un reactor tokamak si se usaran los mismos isótopos.

    Por otro lado es curioso que llamemos a la reacción protón-boro “reacción de fusión”, cuando lo que se obtiene de ella son tres núcleos de helio.
    Sería interesante saber si los militares han experimentado con bombas basadas en esta reacción.

  7. David:

    ?Y que fue de la fusión fría, que hacia uso de electrodos de paladio.? ?Se ha progresado en este campo.? Así no haría falta tanto calor para fundir el hidrógeno y transformarlo en helio.

  8. NeoFronteras:

    Pues la fusión fría nunca funcionó. No había tal fusión.

  9. Miguel Ángel:

    Querido Neo:

    Tengo una duda acerca de ese experimento casero que se puede hacer para visualizar el plasma generado por una cerilla encendida tapada con un vaso dentro del horno microondas. Salió hace unos días en un documental y comentaron que había que ser cautelosos a la hora de sacar el vaso del microondas, y esa es la parte que no comprendo, a menos que se refieran a que el vaso puede quemar: supongo que al abrir la puerta y apagarse el microondas, para cuando queramos coger el vaso, los protones habrán recuperado sus electrones correspondientes y ya no habrá plasma.

    Abrazos.

  10. tomás:

    Querido Neo:
    Sobre tu 6:
    ¿Y qué boro es el utilizado, el Boro 10, de cinco neutrones o el boro 11, de 6 neutrones, éste cuatro veces más abundante en la naturaleza?
    ¿Y la reacción cual sería? ¿Quizá deuterio que es 1 protón más 1 neutrón + ^10B que es 5 protones más 5 neutrones + x(MeV) -> 3 de ^4He + y(MeV), (siendo “y” varias veces x), que totalizarían los 6 protones más los 6 neutrones y, por tanto es aneutrónica, o: H que es un protón + ^11B que es 5 protones más seis neutrones + z(MeV) -> 3 de ^4He + r(MeV), (siendo r varias veces z) que también totaliza los 6 p más 6 n y, por tanto también aneutrónica? Supongo que esta última al no precisar deuterio y ser el ^11B más abundante. Pero no lo sé.
    El filtro creo que no me permite poner el símbolo del deuterio.

  11. tomás:

    Era eso. ¡Qué manías! Un muy cordial saludo, Neo.

  12. NeoFronteras:

    La reacción es esta:

    H1+B10= 3He4 + Energía

    Es aneutrónica.

  13. tomás:

    Querido Neo:
    Lo creo, naturalmente, pero si hacemos la ecuación en protones sale:
    H + B^10 -> 3He^4 + E
    p + (5p+5n) -> 3(2p+2n) + E; o sea 6p+5n -> 6p+6n + E
    Pero entones sobra un neutrón. La solución podría ser:
    H + B^10 = 2He^4 + He^3 + E. Así no sobran neutrones.
    p + (5p+5n) = 2(2p+2n)+ (2p+n) + E
    6p + 5n = 4p + 4n + 2p + n + E = 6p + 5n + E
    Entonces se formaría, si es correcto, 1 de He^3 por cada 2 de He^4
    Y, además, no es preciso aportar energía.
    ¿Es la solución?
    Mil gracias por tu atención.

  14. NeoFronteras:

    Perdón, obviamente la reacción es esta:

    H1+B11= 3He4 + Energía

    La otra no era correcta.

  15. tomás:

    Mil gracias por tu atención

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