fronteras de la física. ITER: un camino hacia el futuro energético


En la conferencia del ciclo de fronteras de la física de hoy, el profesor Ernesto Anabitarte Cano del Departamento de Física Aplicada de la UC, ha hablado del proyecto ITER, un proyecto internacional multimillonario en la frontera de la tecnología y la física que pretende construir un reactor de fusión termonuclear y demostrar su viabilidad económica y técnica (la científica ya se ha demostrado hace mucho tiempo)

En la conferencia se explicaron por encima los principios de la fusión nuclear, la elección de la fusión termonuclear por confinamiento magnético de plasma a muy alta temperatura como principio de generación de energía, los mecanismos de generación por confinamiento magnético de la materia a fusionar en un estado especial llamado plasma, los avances que esta empresa está provocando en la ciencia y la tecnología por los retos que hay que superar y los problemas que han aparecido en el largo camino del reactor de fusión, los orígenes, evolución y estado del proyecto ITER, y el estado de la investigación de la fusión en España.

El objetivo final de estas instalaciones es la producción de calor y el intercambio de este calor en energía eléctrica.

el problema de la energía

La conferencia ha comenzado justificando el lanzamiento de este proyecto (que es la culminación de muchos otros proyectos que en diferentes partes del mundo, han intentado demostrar la viabilidad de la fusuón nuclear como forma de energía) por el hecho de que el consumo de energía mundial está experimentando un incremento brutal, pasando de los 10 TW (TeraWatts) por año en la última década del siglo XX a una estimación de 30 TW por año en este principio de siglo XXI. Las energías que tienen como origen los combustibles fósiles se están acabando y (supuestamente, en este punto no estoy muy de acuerdo) las energías alternativas como las energías renovables (solar, eólica, …) no van a poder proporcionar una fuente de energía sostenida, estable y segura para el consumo mundial. Se puso un ejemplo extremo. Para construir una supuesta central de 1000 MW se necesitan millones de toneladas de petroleo o carbón, 23 kilómetros cuadrados de paneles solares, 500 kilómetros cuadrados de molinos eólicos pero solo unos gramos de materia de fisión o de fusión.

la energía del átomo

La energía derivada de los átomos, en el caso especial de la fisión nuclear, han demostrado ser una fuente estable de energía sostenible con un gran rendimiento y con cierta seguridad, si bien su seguridad rota con accidentes muy graves y la contaminación con residuos radiactivos de gran duración y de difícil tratamiento y almacenamiento han provocado su rechazo por parte de la sociedad. Aún nos queda un último cartucho, que es utilizar el principio que hace que nuestro sol y el resto de las estrellas funcione: la energía de fusión nuclear. Tenemos que construir una estrella en la tierra.

El principio básico de la producción de energía de fusión nuclear deriva de la famosa ecuación de Einstein E=mc2, que relaciona la materia con la energía. Un incremento de la materia, que es lo que se pretende con la fusión de dos núcleos de átomos, lleva necesariamente aparejado un incremento de energía. El secreto está en que la reacción de fusión entre los núcleos atómicos se provoque con una aportación de energía inicial muy inferior a la energía producida derivada de la fusión. Esto tiene como consecuencia su viabilidad económica. Ese es el objetivo del ITER, demostrar esa viabilidad.

Para unir dos núcleos atómicos hay que acercarlos lo suficiente como para que se venza la fuerza de repulsión de los protones que los componen y entre en acción la fuerza de interacción fuerte, fuerza fundamental que mantiene a las partículas de los núcleos unidos. Esto se consigue aumentado la densidad de átomos de materia y acelerando los átomos para aumentar las probabilidades de choque. También sería interesante tener a los núcleos de los átomos aislados de su capa electrónica. Además debemos intentar que esos núcleos sean los más simples posibles (número de protones y neutrones) para que sea más fácil vencer la fuerza de repulsión y fusionarlos, pero no tan simple para que el resultado de la fusión sea mucho más energética. Además el estado o fase de la materia inicial más manejable para iniciar todo el proceso sería un gas.

el proceso

La materia prima que necesitamos como combustible es un gas que se llama Deuterio, un isótopo estable del hidrógeno. Otro que podemos usar es el tritio, que es ligeramente radiactivo, pero el menos radiactivo y de vida más corta de los que se conocen, también isótopo del hidrógeno. Entre los núcleos de estos dos isótopos se produce una reacción de fusión muy energética. El resultado de la fusión es Helio y neutrones (veremos que esto provoca ciertos problemas)

Para desprender los electrones de los núcleos la materia tiene que estar en un estado o fase especial llamado plasma. Esta fase se consigue a temperaturas muy elevadas (millones de grados) de la mezcla de gases que nos hemos propuesto inicialmente (deuterio y tritio) El plasma es una fase de la materia especial, pero no es en absoluto rara. De hecho en el universo se puede decir que es casi el estado habitual de la gran parte de la materia conocida. Para cambiar la fase o el estado de la materia se necesita, además de la temperatura, presión. Esta última tiene las ventajas añadidas de permitir el confinamiento del plasma de manera que no toque las paredes del recipiente en el que se le confina y aumentar la probabilidad de choque entre núcleos, ya que están más concentrados.

El confinamiento del plasma en la tierra es un gran reto tecnológico. En el sol, que es el reactor de fusión más a mano que conocemos, esto se consigue por efecto de la inmensa fuerza de gravedad que ejerce. A esto se le llama confinamiento inercial. Pero aquí en la tierra no tenemos en principio, esa opción (existen experiencias de conseguir mediante presiones brutales de corta duración el mismo efecto) y debemos utilizar otro sistema. Este sistema consiste en crear un intenso campo magnético en el que las partículas se vean atrapadas. Las partículas, ante la presencia de un campo magnético, siguen una trayectoria helicoidal alrededor de las líneas de fuerza mismo. A esto de le llama confinamiento magnético. Esta caja magnética se completa por el campo magnético que generan la inmensa cantidad de electrones libres del plasma, a los que se obliga a circular provocando una inmensa corriente eléctrica mediante el efecto electroimán, haciendo que el plasma se convierta en el secundario de un inmenso transformador (esto fue una innovación de la antigua unión soviética, del premio no bel de la paz Sajarov, a la que llamaron tokamak)

NOTA: Puede existir un tercer método, que he leído en la wikipedia y que llaman confinamiento por pinzamiento.

El recipiente sobre el que se confina el plasma ha sufrido una evolución desde sus inicios como tubo cilíndrico con sus extremos cerrados por espejos magnéticos (zonas en donde las líneas de campo magnético se juntan más), en donde algunas de las partículas se escapaban, pasando por la forma toroidal, para obligar la las partículas a seguir la trayectoria circular sin que se escape ninguna, a su forma actual de toro deformado con su sección en forma de D.

el reto

Así pues necesitamos unas condiciones determinadas de temperatura y presión y el mantenimiento del confinamiento magnético para conseguir una reacción sostenida de fusión, que produzca más energía de la que se aporta. De manera cuantificada, lo que se necesita es tener una temperatura superior a 100 millones de grados, con una densidad de 1020 iones por metro cúbico durante un tiempo superior a 1,5 segundos.

los avances y el JET

Los diferentes ingenios que se han venido desarrollando a lo largo de los últimos años han buscado cumplir las tres exigencias. El problema siempre ha sido el mantenimiento de las condiciones de presión, temperatura y confinamiento durante el tiempo necesario. Avances como el confinamiento magnético toroidal, el tokamak, el stellarator, … nos han acercado a los 1,5 segundos. El stellator es una tecnología que representa un avance en la tecnología de confinamiento. En vez de confinar con un campo magnético pulsante y por lo tanto no continuo el plasma como hace el tokamak, los stellator utilizan bobinas magnéticas distribuidas de forma especial a lo largo del recipiente de confinamiento, que ya no tiene forma toroidal sino que sigue formas aparentemente caprichosas con el fin de provocar la configuración de líneas magnéticas especial que maximice la fusión y que sean continuas.

Si se considera como medida del avance producido en los últimos años el producto de la densidad, la temperatura y el tiempo, existen unas gráficas que muestran con puntos la evolución de los diversos proyectos desarrollados en el mundo. Entre ellos destaca especialmente un proyecto europeo el JET (Joint European Torus), un Tokamak desarrollado bajo el paraguas del EURATOM (European Atomic Energy Community), una de las organizaciones de investigación más antiguas de la Unión Europea. Este proyecto es de los que más se ha acercado a la zona de viabilidad económica y técnica.

En la evolución a lo largo de la gráfica se ve como la medida que hemos descrito se duplica cada 1,8 años, siguiendo una evolución análoga a la ley de Moore para los circuitos electrónicos. Esta tendencia nos hace ser optimistas en cuanto a la posibilidad de disponer de la tecnología que nos permita producir energía de fusión nuclear en un plazo razonable, antes de que se extingan los combustibles fósiles.

Cuestiones abiertas

La tecnología para construir los reactores de fusión ha planteado retos, algunos de los cuales se han resuelto o están en proceso de resolución. La producción de residuos es uno de esos retos. En el proceso de fusión se produce Helio, como ya hemos dicho, que puede ser reciclado sin problemas. Pero también se producen neutrones, que bombardean las paredes del recipiente que contiene el reactor. Este continuo bombardeo provoca que los materiales que forman el toro tengan que absorber su impacto. Esto no es un problema trivial y se están investigando materiales que sean capaces de absorber este bombardeo continuo sin debilitar su estructura cristalina y hacerse quebradizos. Esta investigación se lleva a cabo en una gran instalación científica en Japón (que obtuvo como premio de consolación al perder la posible ubicación del ITER en su territorio, siendo otra de las compensaciones la presidencia del consorcio del ITER; el proceso de decisión de la ubicación final del ITER ha sido un interesante juego de presiones entre diversos países influenciado por la situación geoestratégica y política mundial)

En el tokamak además, debido a las irregularidades del campo pulsante, se producen cenizas de partículas alfa muy poco radiactivas que deben ser extraídas del reactor y tratadas convenientemente (duran unos 100 años) Existe toda una sofisticada tecnología de extractores muy interesante.

En el ITER se ha diseñado todo un sistema robótico para el manejo remoto de la instalación sin intervención humana para minimizar riesgos.

Fusión Nuclear en España

EL CIEMAT es sin duda el organismo que realiza y coordina las investigaciones sobre fusión nuclear que se hacen en España., tanto de confinamiento como de materiales. El Stellerator TJ-II (ver presentación sobre la instalación que he encontrado en Google) es el proyecto estrella español en el campo de los reactores de fusión.

Conclusiones

La fusión termonuclear por confinamiento magnético representa una oportunidad única para la comunidad internacional para solucionar los problemas energéticos que acucian cada vez más. El gran esfuerzo internacional, entre los países desarrollados pero también entre los países emergentes como china e india, para desarrollar esta tecnología de producción de energía, ejemplarizado en el proyecto ITER es un gran paso. Existen riesgos de exclusión (no hay participación del continente africano, por ejemplo) debido a la gran barrera tecnológica y económica que tienen estos proyectos.

Las ventajas de la tecnología de fusión son varias: la seguridad de la producción está garantizada, si hay algún tipo de problema, la reacción se para; la energía calorífica producida no es capaz de destruir la instalación; los residuos que se producen, o bien son reutilizables (como el helio) o bien son residuos de baja radiactividad y duración fácilmente tratables.

Los desafíos tecnológicos que se presentan van a provocar un gran avance en la tecnología y el conocimiento de los procesos físicos nucleares (sobretodo en su visión dinámica, en los que la teoría presenta deficiencias) Como ejemplo de los retos tecnológicos, se van a construir bobinas superconductoras de gran capacidad (40 KA) con precisiones de posicionamiento milimétricas (tecnología para la medida) con su correspondiente sistema de refrigeración por helio líquido.

Un comentario en “fronteras de la física. ITER: un camino hacia el futuro energético

  1. Acabo de recordar otro proyecto pionero de investigación realizado en España, una colaboración entre el CIEMAT y el IFCA sobre la simulación del confinamiento magnético en un reactor de fusión, en concreto del stellarator del CIEMAT (hay una presentación powerpoint que he podido encontrar en la red), dentro de las aplicaciones del Grid Interactivo Europeo y presentado en la conferencia del ‘Open Grid Forum’ celebrada en Manchester el año pasado, donde recibió un premio. Hay una página web del proyecto europeo de Grid Intercativo donde se reúne toda la información de la aplicación de simulación del reactor de fusión.

    Esta es parte de la nota de prensa que en su día salió sobre el asunto (fuente IFCA):

    NOTA DE PRENSA

    ‘Open Grid Forum’ en Manchester

    Una aplicación del Grid Interactivo Europeo coordinado por el CSIC logra el premio a la mejor demostración en el Congreso Mundial.

    • El Instituto de Física de Cantabria coordina uno de los proyectos internacionales más avanzados sobre tecnología Grid, en el que participan investigadores del CSIC, UAB, CESGA, y BIFI, junto a otros 9 centros de computación e investigación de Europa.

    • La aplicación fue destacada cómo ejemplo de e-Ciencia al integrar tecnología Grid al servicio de los investigadores de la comunidad de fusión del CIEMAT y el BIFI.

    • El stand instalado por el CSIC, con el apoyo del plan de I+D+i de Cantabria, ha recibido más de 500 visitantes, en su mayor parte investigadores interesados en utilizar estas herramientas de computación avanzada.

    Manchester, 13 de mayo de 2007. Investigadores del Instituto de Física de Cantabria (IFCA), centro mixto del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y la Universidad de Cantabria (UC), han participado destacadamente en el ‘Open Grid Forum’ (OGF20) celebrado en Manchester del 7 al 11 de mayo.

    La aplicación interactiva de fusión, desarrollada a través de una colaboración entre el Instituto de Biocomputación y Física de Sistemas Complejos (BIFI) y el Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y Tecnológicas (CIEMAT). Se trata de una aplicación integrada dentro del proyecto Interactive European Grid que coordina el CSIC y que ha logrado el premio a la mejor demostración entre más de 20 propuestas de áreas científicas punteras mostradas en el ‘OGF20’. La tecnología desarrollada en el proyecto permite a los investigadores acceder en su portátil a la potencia en cálculo, almacenamiento y visualización de un supercomputador, usando a través de Internet clusters de varios centros de computación europeos.

    A lo largo de la vigésima edición de este foro mundial sobre tecnología Grid, el IFCA gracias al apoyo del CSIC y del Plan Regional de I+D+i de Cantabria, ha podido mostrar a los asistentes en su stand los avances y la aplicabilidad logrados en el marco del Proyecto Europeo ‘Interactive European Grid’.

    Por otra parte, los investigadores Jesús Marco, coordinador del proyecto, e Isabel Campos, responsable de aplicaciones, han presentado en diversos seminarios los avances realizados.

    […]

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