El ITER: Reactor De Fusión

3.2.- EL ITER: REACTOR DE FUSIÓN

El sol irradia desde hace millones de años y debería, según los astrofísicos, continuar otros tantos años antes de que entre en una fase que conduzca a su extinción. En el centro del sol y de las estrellas, los núcleos ligeros se combinan o fusionan para formar núcleos más pesados. Este proceso libera una energía considerable y es el origen del calor y de la luz que nosotros recibimos. Ser capaces de gestionar tales reacciones sobre la tierra con el fin de producir energía, abrirá la puerta a recursos casi ilimitados. Este es el objetivo de las investigaciones llevadas a cabo por grandes naciones industriales y en particular, por la Unión Europea.

La fusión nuclear es una reacción nuclear en la que dos núcleos de átomos ligeros, en general el hidrógeno y sus isótopos (deuterio y tritio) se unen para formar otro núcleo más pesado, liberando una gran cantidad de energía [2]. Para efectuar las reacciones de fusión nuclear se deben cumplir una seria de requisitos:

- Temperatura muy elevada para separar los electrones del núcleo y que éste se aproxime a otro venciendo las fuerzas de repulsión electrostáticas. La masa gaseosa compuesta por electrones libres y átomos altamente ionizados se denomina PLASMA.

- Confinamiento adecuado para mantener el plasma a levada temperatura durante un tiempo mínimo sin que se funda.

- Densidad del plasma suficiente para que los núcleos estén cerca unos de otros y puedan dar lugar a reacciones de fusión.

Como ya se ha comentado anteriormente, los elementos atómicos empleados normalmente en las reacciones de fusión nuclear son el Hidrógeno y sus isótopos: el Deuterio (D) y el Tritio (T). Las reacciones de fusión más importantes son [19]:

D + T --> 4He + n + 17, 6 MeV

D + D --> 3He + n + 3, 2 MeV

D + D --> T + p + 4, 03 MeV

n = neutrones

p = protones

Para que tengan lugar estas reacciones debe suministrase a los núcleos la energía cinética necesaria para que se aproximen los núcleos reaccionantes, venciendo así las fuerzas de repulsión electrostáticas. Para ello se necesita calentar el gas hasta temperaturas muy elevadas, como las que se supone que tienen lugar en el centro de las estrellas.

El gas sobrecalentado a tan elevadas temperaturas recibe el nombre de plasma. De esta forma, el requisito de cualquier reactor de fusión nuclear es confinar dicho plasma con la temperatura y la densidad lo bastante elevadas y durante el tiempo justo, con el fin de permitir que ocurran suficientes reacciones de fusión nuclear y evitando que se escapen las partículas, para obtener una ganancia neta de energía. Esta ganancia energética depende de que la energía necesaria para calentar y confinar el plasma sea menor que la energía liberada por las reacciones de fusión nuclear.

En el sol y las estrellas, las condiciones necesarias para la fusión (la temperatura, la densidad, el tiempo de confinamiento,…) se mantienen gracias a la altísima gravedad (unas 27 mayor que en la tierra), situación que no se puede dar en la tierra de forma natural. Una solución consiste en atrapar las partículas eléctricamente cargadas del plasma en un espacio reducido por la acción de un campo magnético.

La configuración magnética de mayor rendimiento es la del Tokamak [13], máquina de confinamiento desarrollada por los científicos rusos del Instituto Kurchatov en Moscú, que permite crear plasmas de alta energía. Desde su puesta en marcha a final de los años 1960, han sido recogidos avances muy importantes en relación a la comprensión de los fenómenos físicos y en las tecnologías de puesta en marcha en la construcción de herramientas experimentales. Estos resultados han sido obtenidos en numerosas instalaciones de tamaños muy distintos, concebidas en los años 1970 tomando como base el Tokamak 1 y explotadas desde el principio de los años 1980. Se pueden destacar dos acontecimientos importantes:

• Los 16 MW de potencia de fusión obtenidos en 1997 en la instalación europea JET (Joint European Tours) implantada en Culham, en Gran Bretaña.

• Las descargas record conseguidas en Tore Supra (tokamak de imanes superconductores, en explotación desde 1988 en el CEA de Cadarache) en la que una descarga de 6 minutos y 30 segundos en diciembre de 2003, condujo a la inyección y extracción de 1 Gigajulio.

Los dos ejemplos que se han reseñado ilustran los progresos considerables realizados en Europa y en el mundo. Los resultados han sido conseguidos en instalaciones experimentales especializadas, se trata de descargas de plasma de alto rendimiento pero de corta duración en el caso del JET o descargas de plasma de larga duración pero de escasa potencia en el Tore Supra.

La fusión magnética se ha desarrollado en un cuadro internacional muy abierto a razón de las aplicaciones únicamente focalizadas en la producción de energía. Las robustas respuestas a la mayoría de las preguntas suscitadas por los estudios sobre la fusión controlada han sido aportadas, pero de forma independiente. Es por ello que en la etapa actual se quiere conducir a la integración de todos estos resultados en el seno de una misma instalación: este es uno de los objetivos del proyecto internacional ITER.

ITER [20,21]- Internacional Termonuclear Experimental Reactor- es la máquina que permitirá producir 500 MW de potencia de fusión durante más de 400 segundos con la asistencia de 50 MW de potencia de calentamiento, es decir, con una amplificación de la energía de una factor 10. Su principal objetivo es probar todos los elementos necesarios para la construcción y funcionamiento de un reactor de fusión nuclear que serviría de demostración comercial, además de reunir los recursos tecnológicos y científicos de los programas de investigación desarrollados anteriormente por la Unión Soviética, Estados Unidos, Europa y Japón.

El ITER será también la primera máquina que integre la mayor parte de las tecnologías esenciales en un reactor de fusión: imanes superconductores de muy gran tamaño, refrigeración activa de los componentes haciendo frente al plasma, gestión del tritio, mantenimiento robotizado,… El coste de la producción del proyecto se evalúa en alrededor de 10.300 millones de euros (Europa, Japón, Rusia, Estados Unidos, China y Corea del Sur participan). Su construcción se está llevando a cabo en Cadarache, al sur de Francia y se prevé que esté completamente operativo en noviembre de 2022.

Esta construcción necesitará no sólo del ITER, sino de programas de acompañamiento que tengan una vocación más orientada a un reactor. Ya están en curso los que conciernen el desarrollo de materiales de estructura (materiales de desactivación rápida que soporten la fluencia de los neutrones de la fusión) y componentes fabricados de tritio, coberturas tritigenias. Además, también se están completando estudios sobre los aspectos socio-económicos. Aunque puede parecer prematuro estimar el coste de producción de un kWh de una fuente de energía que todavía está a decenas de años de su comercialización.

El primer objetivo es poner en evidencia el impacto de las variables físicas que intervienen o de las hipótesis tecnológicas sobre los costes. Estos resultados fijarán órdenes de magnitud relativos a los sentidos de variación.

El segundo objetivo es el de verificar que el dispositivo propuesto corresponde a las exigencias del mercado. Los modelos económicos empleados son la prolongación directa de aquellos utilizados para la concepción, la optimización y el cálculo de las máquinas actuales o del ITER. Los costes de construcción estarán directamente determinados por los industriales de Europa, Japón, Rusia y Estados Unidos.

Se dispone así de una base de evaluación sólida. Las incertidumbres que faltan aún por resolver, algunas de ellas importantes, tratan más sobre la disponibilidad del reactor que sobre el coste directo de sus componentes.

La energía de fusión presenta particularidades que pueden resultar determinantes como la abundancia de combustibles y su reparto geográfico equitativo. Los combustibles primarios del reactor son el deuterio y el litio (a partir del cual el tritio se fabrica en el propio reactor), dos cuerpos no radioactivos y no tóxicos.

El Deuterio es un isótopo estable del hidrógeno formado por un protón y un neutrón. El contenido de deuterio existente en el agua del mar (34 gramos por metro cúbico) [19] es posible obtener una energía inagotable mediante la fusión nuclear.

El otro elemento empleado en la fusión nuclear es el Tritio, es el isótopo inestable o radiactivo del átomo de hidrógeno. Está compuesto por un protón y dos neutrones y se desintegra por emisión beta con relativa rapidez, y aunque es escaso en la naturaleza, puede ser generado por reacciones de captura neutrónica con los isótopos del Litio, material abundante en la corteza terrestre y en el agua del mar [19].

Estos combustibles serán utilizados en muy pequeñas cantidades (menos de 500 gramos de deuterio y menos de 10 kg de litio natural son suficientes para alimentar durante un día una producción de 1000 MWe) [20,21]. La gestión del aprovisionamiento, del transporte y del almacenamiento del combustible parece relativamente sencilla. Las condiciones de mantenimiento de la reacción de fusión imponen el uso de un plasma muy poco denso (unos gramos de combustible en un volumen de varios centenares de metros cúbicos), muy puro y a muy alta temperatura. La cantidad de combustible presente en la cámara de combustión durante la reacción es siempre muy débil.

La menor perturbación no controlada en el medio da lugar a un enfriamiento rápido y a la parada automática de las reacciones de fusión. Que la reacción se dispare, es una consecuencia intrínsecamente imposible. Tras la parada del plasma, la energía residual es muy pequeña. No puede producirse ningún deterioro mayor de origen accidental sobre las estructuras. Resulta que la función principal de seguridad es asegurar el confinamiento (en un reactor de fisión hay que añadir el control de la reacción y la evaluación de la potencia residual). Para minimizar los residuos en caso de accidente, la aproximación “multibarreras” es generalmente la escogida. Se prevén tres barreras de confinamiento: el vacío, el criostato y el edificio del reactor en sí mismo.

Ya se han llevado acabo análisis lo más detallados posibles de los inventarios energéticos, de accidentes susceptibles de producirse y de sus consecuencias esperadas. De estos trabajos se concluye que no hay secuencia accidental que pueda poner en peligro la integridad del reactor. Incluso en caso de accidente grave, la evacuación de la población alrededor de la zona no es necesaria.

Al final de la vida del reactor de fusión, los materiales que rodean el plasma y constituyen la estructura del reactor serán activados. La utilización de materiales de débil activación (o más exactamente de tiempos de decrecimiento rápidos) permiten minimizar el problema de los residuos radioactivos. Tras un periodo de 100 años después de la parada del reactor, la mayor parte (casi la totalidad) de los materiales pueden ser considerados como residuos de muy baja actividad (satisfaciendo las normas de clasificación de los residuos nucleares definidos por la AIEA (Agencia Internacional de la Energía Atómica) además estos residuos son reciclados dentro de la rama nuclear. Esta cualidad se puede expresar a través de una fuerte imagen: tras 100 años de decrecimiento, la radioactividad media de los materiales de un reactor de fusión es más débil que la de las cenizas del carbón que habría producido la misma cantidad de energía (el carbón contiene uranio y torio en estado de trazas).

La inserción en la oferta energética de la fusión podrá tener lugar en la segunda mitad de siglo, en una época donde el agotamiento de los recursos clásicos y las consecuencias climáticas de nuestro consumo comenzarán a apreciarse de forma aún mayor. La fusión presenta ventajas que pueden contribuir a una producción de energía más respetuosa con el medio ambiente. El deber de la generación actual es el de preparar la base del crecimiento y del saber hacer para que los que tomen las decisiones el día de mañana, vean serenamente todas las soluciones energéticas posibles.

...