Fusión Nuclear

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- F USIÓN NUCLEAR - - I N D I C E - 1.- Introducción …………………………....................................................... 3 1.1.- La importancia de la fusión .......................................................... 3 1.2.- Imitar al Sol ………………………………...................................... 5 2.- Fusión nuclear. Principios básicos …………....................................... 7 2.1.- Requisitos …………………........................................................... 8 2.2.- Ventajas …………………………………...................................... 10 3.- Fusión termonuclear controlada ………….......................................... 12 3.1.- Reacciones típicas …………...................................................... 12 3.2.- Disponibilidad de los elementos ………..................................... 14 4.- Generación del plasma. Criterio de Lawson …………....................... 16 4.1.- El cuarto estado de la materia ………........................................ 16 4.2.- El plasma en ignición ………….................................................. 18 4.3.- Balance energético ………......................................................... 19 4.4.- Criterio de Lawson …………...................................................... 22 5.- Confinamiento del plasma. Tipos ………............................................ 24 5.1.- Confinamiento gravitacional …................................................... 24 5.2.- Confinamiento inercial ………….…….........................................30 5.3.- Confinamiento magnético …………........................................... 27 6.- Confinamiento magnético ………………………………………............. 30 6.1.- Tokamaks ………………..…....................................................... 30 6.2.- Stellarators ………………………………..................................... 33 7.- ITER ………............................................................................................ 36 8.- Bibliografía ........................................................................................... 39

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1.- INTRODUCCIÓN - 1 .1- La importancia de la fusión.- El ritmo de crecimiento de la población mundial en la actualidad es muy grande, estimándose que se alcanzarán unos 10.000 millones de personas hacia mediados del siglo XXI. Este crecimiento lleva implícito un mayor consumo de energía, que se acentuará especialmente en los países en vías de desarrollo, cuyas tecnologías están aún poco desarrolladas o son prácticamente inexistentes. Por dar unos números que ilustren esta situación basta decir que, en 1990, el consumo de energía primaria por habitante y año fue de 2.2 x 10 Julios, es decir 5.1 t.e.p (toneladas equivalentes de petróleo) en los países desarrollados y 10 veces menor en los países en vías de desarrollo. Se estima que dicho consumo podría llegar a multiplicarse por dos o por tres en el año 2050. Si los países en vías de desarrollo aumentasen su consumo energético y alcanzasen cuotas iguales a los desarrollados sería necesario un aumento del orden del 260% de los niveles de producción. Esto conllevaría un consumo mayor de recursos fósiles, cada vez más escasos, por lo que se hace imperiosa la investigación y desarrollo de nuevos métodos de producción de energía. Las fuentes de energía capaces de cubrir una parte sustancial de las necesidades energéticas previstas son las siguientes: Combustibles fósiles: como el carbón, el petróleo y el gas natural. Pero dado que las reservas de petróleo y gas natural disminuyen rápidamente en la actualidad, el desarrollo de los países más desfavorecidos debería basarse principalmente en el carbón. Pero esto implica graves problemas de contaminación, que no parecen asumibles por la sensibilidad social actual. Energía nuclear: procedente de la fisión de combustibles radioactivos como uranio o plutonio. En principio, esta opción podría satisfacer la demanda energética

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prevista. Pero problemas tales como la larga vida media de los residuos radioactivos o los problemas de seguridad de las plantas nucleares son considerados por la opinión pública como inasumibles, lo cual hace que surja una gran resistencia social a su uso (en muchos países en desarrollo, el número de centrales nucleares disminuye rápidamente, como consecuencia de esta presión social).

Energías renovables: hidráulica, solar, eólica, mareomotriz, geotérmica, biomasa. El problema de muchas de estas fuentes es que son dispersas, de baja concentración para usos industriales y no proporcionarían la suficiente energía, o implicarían daños medioambientales no asumibles socialmente. Por ejemplo, para producir la demanda energética italiana mediante energía solar, ¡sería necesario cubrir un 20% del suelo italiano con paneles solares. Algo parecido ocurre si se pretende utilizar molinos de viento para producir energía eólica. Por tanto, parecen relegadas a ser fuentes de energía secundarias, pero no a soportar el peso central de la demanda energética mundial.

Por tanto, aunque a corto plazo no se prevé una falta de recursos energéticos y en las próximas décadas los componentes fósiles seguirán siendo la fuente primaria de energía, existe un importante esfuerzo a nivel mundial para la consecución de nuevas fuentes de energía que sean baratas, seguras, medioambientalmente no agresivas, y accesibles tanto a países desarrollados como no desarrollados.

La fusión termonuclear controlada aparece así como la solución perfecta a todos estos problemas. Es barata, ya que utiliza hidrógeno como combustible, el cual se encuentra en cantidades casi ilimitadas en el mar. Es segura, ya que no da lugar a reacciones en cadena incontroladas, como ocurre en el caso de la fisión nuclear. Medioambientalmente es poco agresiva, no más que cualquier central térmica, puesto que la contaminación generada procede de los intercambiadores de calor que reciben la energía que llevan los neutrones rápidos resultantes de las reacciones de fusión (totalmente análogos a los intercambiadores de otro tipo de centrales). Además, sus residuos son poco radiactivos, con vidas medias de desintegración de unos pocos años

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(en comparación, la vida media de los residuos de la fisión es de cientos de años), lo

cual hace que su tratamiento y eliminación no sean un problema. Sin embargo, existen

aún muchas cuestiones que la Física y la Ingeniería necesitan resolver antes de poder

construir un reactor de fusión comercial, que se prevé pudiera entrar en funcionamiento

bien entrado ya el siglo XXI.

1 .2- Imitar al Sol.-

Se conoce por fusión nuclear el proceso por el que dos núcleos ligeros se funden

dando lugar a un núcleo más pesado, emitiendo en el proceso una cierta cantidad de

energía, ya sea en forma de calor o como energía cinética de algún otro producto de la

reacción (por ejemplo, un neutrón, o un protón). Esta forma de producción de energía

se da de manera espontánea en el Sol y demás estrellas, lo que explica la generación

de vastas cantidades de energía que ocurre en su interior y que son responsables por

ejemplo, de mantener la Tierra a la temperatura adecuada como para que haya podido

surgir la vida. Así, en cada segundo, el Sol transforma 650 millones de toneladas de

hidrógeno en helio, emitiendo una gran cantidad de energía en forma de luz y de

neutrones.

Núcleo del Sol

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Conseguir una reacción de fusión no es sin embargo fácil. Es necesario que los dos núcleos que van a fusionarse, que están cargados positivamente, se acerquen venciendo su mutua repulsión electrostática. Tienen, por ello, que aproximarse a gran velocidad, lo cual implica que dichas reacciones sólo ocurren para temperaturas por encima de un cierto valor mínimo, que dependerá del tipo de núcleos de que se trate. A estas temperaturas, los átomos han perdido ya todos sus electrones, con lo que el combustible está formado por una sopa de iones y electrones que se conoce como plasma y que constituye el cuarto, y más abundante, estado de la materia.

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2.- FUSIÓN NUCLEAR. PRINCIPIOS BÁSICOS - La fusión

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