Fusión nuclear

A fusión nuclear é o proceso polo cal as estrelas producen enerxía, e consiste na fusión de núcleos de hidróxeno para producir helio. Este proceso permite converter a masa dos núcleos en enerxía, segundo a famosa ecuación E = mc², cunha eficiencia moi alta (de feito, é o proceso máis eficiente para a produción de enerxía no universo), e non produce residuos radioactivos, dado que o helio non o é. É o proceso oposto á fisión nuclear, que se utiliza nas centrais nucleares actuais, no que un núcleo pesado (uranio) se divide en dous máis lixeiros e que produce residuos radioactivos de longa duración. Para que dous núcleos de hidróxeno se fundan é necesario que estes choquen a moi alta velocidade. Isto pódese conseguir, en principio, utilizando aceleradores de partículas, pero con este modo non é posible unha xeración neta de enerxía dado que o número de núcleos de hidróxeno que se acelera é moi pequeno e gástase máis enerxía en aceleralos que a que producen ao fusionarse. Para obter unha produción neta de enerxía de fusión é necesario producir unha gran cantidade de núcleos que choquen entre eles a altas velocidades. Isto conséguese quentando o hidróxeno a moi altas temperaturas (de decenas a centenas de millóns de graos); nestas condicións os electróns dos átomos sepáranse dos núcleos; este é o cuarto estado da materia que se denomina “plasma” e é do que están constituídas as estrelas.

Producir e manter plasmas de hidróxeno a altas temperaturas non é fácil pola natural expansión dos gases ao quentarse e polas perdas de enerxía por condución e convección que sofren. Nas estrelas, a masa da estrela prové a forza que comprime ao gas quente, comprímese polo seu propio peso, e as súas enormes dimensións aseguran que as perdas de calor sexan moi reducidas. Para reproducir as condicións dos plasmas das estrelas na Terra é necesario utilizar outros procesos físicos para comprimir o plasma e prover illamento térmico, e isto conséguese mediante campos magnéticos. Ao estar constituído o plasma de compoñentes cargados eléctricamente (electróns – e núcleos +), estes están forzados a moverse orbitando ao redor das liñas de campo magnético, segundo as leis do electromagnetismo. Cando as liñas de campo magnético teñen a configuración adecuada (un toroide, de forma similar a unha rosquilla) os núcleos e electróns quedan confinados por el e manteñen a súa temperatura (ver vídeo 1); as forzas electromagnéticas tamén comprimen o plasma evitando que se expanda e arrefríe.

O proxecto ITER ten como obxectivo demostrar a viabilidade científica e técnica da fusión nuclear como fonte de enerxía practicamente inesgotable e non contaminante; atópase actualmente en construción no sur de Francia por un consorcio internacional. O ITER é o proxecto científico de maior magnitude en construción a nivel mundial no presente. Os seus membros son a Unión Europea (que achega o 45% do orzamento), China, Corea, India, Xapón, Rusia e Estados Unidos que representan máis da metade da poboación e o 80% do PIB mundial. ITER utiliza unha configuración de campos magnéticos de tipo Tokamak capaz de conter plasmas de hidróxeno moi quentes dun volume duns 800.000.000 de litros (ver figura 1).

O primeiro Tokamak foi desenvolto polos científicos soviéticos na década de 1960-70 e é a configuración magnética que prové o mellor illamento térmico e forzas de compresión, permitindo obter plasmas de alta temperatura e presión que son necesarios para producir enerxía de fusión nuclear. No ITER espéranse obter plasmas con temperaturas de centenas de millóns de graos (dez veces máis quentes que o centro de Sol) e con campos magnéticos unhas 100.000 veces maiores que as do campo da Terra; polo plasma circularán correntes de ata 15.000.000 de amperios, isto é, unhas 10.000.000 de veces máis altas que as habituais nos electrodomésticos habituais (neveira, lavalouzas etc.). Para producir estas correntes eléctricas e campos magnéticos o ITER está equipado con enormes bobinas feitas con cables especiais (superconductores) que se manteñen a unha temperatura de -269 graos centígrados (practicamente a temperatura máis fría do universo) para manter a súa resistencia eléctrica en valores moi baixos, e deste xeito reducir a cantidade de enerxía que se utiliza en crear os campos magnéticos necesarios para producir a enerxía fusión. Deste xeito no reactor ITER manteranse temperaturas 10 veces máis altas que o centro do Sol, e ao mesmo tempo as temperaturas máis baixas do universo, só separadas por uns metros de distancia; isto da unha idea do enorme poder illante dos campos magnéticos.

O ITER está deseñado para producir unha potencia de fusión de 500 MW para o que se necesitará quentar o plasma cunha potencia de 50 MW, isto é, producirase dez veces máis enerxía de fusión que a que se inxectará no plasma para quentalo ás temperaturas de centos de millóns de graos necesarias para producir enerxía de fusión. O combustible que utilizará o ITER componse de dúas formas de hidróxeno pesado: deuterio e tritio que se fusionan para dar helio e un neutrón (ver vídeo 2). O deuterio é unha forma estable de hidróxeno pesado que se formou nos primeiros instantes da creación do universo, tras o Big-Bang, e atópase distribuído nunha proporción de 0,015 % no hidróxeno natural terrestre, por exemplo, na auga do mar. O tritio é unha forma de hidróxeno aínda máis pesada que o deuterio, pero é inestable, decaendo a unha forma lixeira do helio (He³) nun período de 13 anos, polo que non existe na natureza. No ITER utilizarase tritio das reservas existentes producidas en reactores de fisión que operan con auga pesada (auga que contén deuterio).

En futuros reactores de fusión, o tritio producirase no propio reactor a partir de litio (elemento moi abundante utilizado extensivamente na produción de baterías eléctricas) e dos neutróns producidos pola reacción de fusión mesma. A absorción da enerxía do neutrón polo litio nas paredes do reactor aumenta a temperatura do refrixerante e esta calor utilizarase para a produción de vapor de auga e de enerxía eléctrica no futuro (ver figura 2), de modo similar ás centrais eléctricas térmicas ou nucleares actuais. Un dos obxectivos do ITER é demostrar a tecnoloxía de produción de tritio a partir de litio a pequena escala nos así denominados “Test Blanket Modules”.

A construción do ITER representou un desafío colosal tanto do punto de vista das infraestruturas necesarias (ver vídeo 3) como das tecnoloxías necesarias para os compoñentes do reactor. Por exemplo, para a construción das bobinas magnéticas foi necesario multiplicar por dez a produción mundial dos materiais necesarios para os cables dos que están feitas e a elaboración destes cables necesitou 8 anos de produción conxunta, en fábricas da Unión Europea, China, Corea, Xapón, Rusia e Estados Unidos. Doutra banda, o deseño e manufactura dos compoñentes que protexen a vasilla do reactor dos fluxos de potencia procedentes do plasma requiriu un notable desenvolvemento tecnolóxico. Aínda que os campos magnéticos producen un illamento térmico do plasma excelente, este non é perfecto e as paredes do reactor de fusión ven sometidas a fluxos de potencia de magnitudes inusitadas. Para protexelas desenvolvéronse compoñentes feitos de wolframio e refrixerados por auga a moi alta presión que son capaces de soportar fluxos de potencia de ata 20 MW por metro cadrado, que é comparable co fluxo de potencia na superficie do Sol (60 MW por metro cadrado), e máis alto que os experimentados polas naves espaciais cando entran na atmosfera terrestre.

A construción dos elementos principais do reactor ITER concluirase no ano 2024 e estará seguida de probas para comprobar que ditos compoñentes funcionan dacordo ao esperado no ano 2025. Tras superar esta fase, engadiranse compoñentes auxiliares do reactor en dous períodos entre 2026-28 e 2030-2031; cada un destes períodos estará seguido de fases de explotación experimental do reactor utilizando hidróxeno convencional e helio, isto é, sen producir enerxía de fusión. Finalmente, tras adquirir a experiencia de operación do reactor nestas dúas fases, introducirase deuterio e tritio no reactor en 2036 e a fase de investigación sobre a produción de enerxía de fusión dará comezo. Esta fase estenderase durante polo menos unha década e nela optimizarase a produción enerxía de fusión tanto en magnitude como en duración e investigaranse aspectos operacionales para a seguinte xeración de reactores de fusión cuxa construción se espera comezar na segunda metade da década de 2030.

O coñecemento científico e tecnolóxico xerado durante a construción do ITER así como durante a súa explotación compártese entre todos os países membros do proxecto, reflectindo de maneira exemplar o espírito de colaboración global que guiou a investigación en fusión nuclear dende as súas orixes na metade do século XX.