22 de julio de 2019

El Sol en una botella: el experimento de fusión nuclear más grande del mundo .

El Sol en una botella: en 2025 se inicia el experimento de fusión nuclear más grande del mundo.

Un informe de : Bernardo Gonçalves Borrega

Vista aérea del sitio de construcción de ITER, en sur de Francia Crédito: Gentileza ITER NORA BAR .

22 . 07 . 19.-CADARACHE (Francia).-

En 1920, lord Arthur Eddington, el astrofísico británico que ayudó a probar experimentalmente la teoría de la relatividad de Einstein, planteó que "las estrellas usan un vasto reservorio de energía por medios que nos son desconocidos" y agregó: "A veces, soñamos que el ser humano algún día aprenderá a liberarlo y usarlo en su beneficio".

Un siglo más tarde, cientos de ingenieros y científicos de 35 países tal vez estén a punto de hacerlo realidad: en la Provence, sobre un terreno de 42 hectáreas ubicado en la idílica campiña del sur de Francia, avanza la construcción de ITER (siglas en inglés que corresponden a Reactor Termonuclear Experimental Internacional, y vocablo latino que significa "el camino"), un emprendimiento que intentará probar la factibilidad de reproducir esos procesos estelares para producir electricidad aquí, en la Tierra. Se estima que su costo ascenderá a alrededor de 24.000 millones de dólares.

Vista aérea del sitio de construcción de ITER, en sur de Francia Crédito: Gentileza ITER

A diferencia de lo que ocurre en un reactor nuclear convencional, donde se genera electricidad aprovechando la energía que se libera al fisionar (romper) átomos, ITER reproducirá en una escala que por primera vez se alcanzará en el mundo un dispositivo llamado "tokamak", en cuyo interior la energía se produce por la fusión (unión) de pequeños núcleos atómicos.

El principio teórico ya se probó en el laboratorio, pero solo por períodos cortísimos y con una gran inversión de energía: hasta ahora no se alcanzó el punto de equilibrio entre la que se necesita para acelerar las partículas y la que se obtiene con la fusión. Los científicos esperan que al aumentar su tamaño lograrán mantener la reacción por largos períodos y alcanzarán una efectividad mucho mayor. Está diseñado para producir diez veces los megavatios que recibe.

"La energía producida por fusión nuclear es limpia, no genera dióxido de carbono ni deja residuos radiactivos, no tiene peligro de derretimiento del reactor, y su combustible (hidrógeno, que se extrae del agua) es ilimitado", explica Laban Coblentz, jefe de comunicaciones del proyecto, durante una visita organizada por la Conferencia Mundial de Periodistas Científicos, que este año se realizó en Lausana, Suiza.

Vista aérea del sitio de construcción de ITER, en sur de Francia Crédito: Gentileza ITER

La idea de emular a las estrellas surgió a mediados del siglo pasado y desató un enorme entusiasmo. En la Argentina, el físico austrohúngaro Ronald Richter, instalado en la Isla Huemul, en Bariloche, incluso llegó a protagonizar un fraude que hizo historia entre 1948 y 1952, cuando proclamó que había logrado desarrollarla. En los años cincuenta, los físicos soviéticos Igor Tam y Andrei Sakharov diseñaron el tokamak basándose en las ideas propuestas por Oleg Lavrentiev, considerado el "padre" de ITER, cuyos inicios datan de 1986. Pero décadas más tarde, las dificultades todavía no están resueltas. El problema es que la fusión no es tan fácil de producir. Es una de las fuerzas más poderosas de la naturaleza y esta se resiste. En primer lugar, los núcleos atómicos están eléctricamente cargados y no quieren juntarse. Para fusionarlos, se necesita imprimirles velocidad, y eso se consigue aumentando la temperatura. ITER deberá calentar un gas a 150 millones de grados, estado de la materia conocido como "plasma".

Por el interior circulará un plasma a 150 millones de grados.

Para confinarlo en el interior del dispositivo, se emplearán potentes campos electromagnéticos generados por gigantescos imanes de cientos de toneladas y de alrededor de 15 metros de alto, dispuestos en forma toroidal (como una rosquilla).

"La alineación tiene que hacerse con una precisión absoluta -detalla el ingeniero Romaric Darbour-. La operación empezará a fines de año y tenemos previsto que dure alrededor de seis meses, porque no puede haber un desnivel de más de dos milímetros de uno a otro".

Pero si ITER es considerado una de las máquinas más complejas que se hayan construido en la historia, este desafío mayúsculo de la ingeniería va acompañado por un esfuerzo igualmente exigente en el campo diplomático, según afirma Bernard Bigot, director general del proyecto desde 2015.

"Los países que participan en este proyecto (la Unión Europea, Rusia, China, la India, Corea, Japón y los Estados Unidos, con cuyo dinero público se financia) representan la mitad de la población y el 85% del PBI mundial -afirma-. Tienen diferentes idiomas, culturas y formas de hacer las cosas. Sostener el esfuerzo durante décadas es increíblemente demandante y un poco caótico. Pero el proyecto es tan bueno que vale la pena intentarlo".

Vista aérea del sitio de construcción de ITER, en sur de Francia Crédito: Gentileza ITER

Considerado el quinto más costoso de la historia (después del programa Apollo, la Estación Espacial Internacional, el Proyecto Manhattan y el desarrollo del sistema de GPS), el objetivo de ITER es probar todos los elementos necesarios para la construcción y funcionamiento de un reactor de fusión nuclear comercial. Se espera que en 2025 logrará generar el primer plasma y que después se necesitarán 10 años para ajustar todos los procesos y comenzar con las operaciones. "Será como el primer avión de los hermanos Wright -opina el físico canadiense Michel Laberge, que dio una charla TED sobre los intentos de lograr la fusión nuclear-. No podía hacer un vuelo transatlántico, pero mostró que era posible". Otros apuntan que si funciona, será la solución de los problemas energéticos globales, pero si no, será el fracaso más caro de la historia.Por: Nora Bär. ****************************************************************************************

¿Qué diferencia hay entre fisión y fusión nuclear?

Tanto la fisión como la fusión nuclear son reacciones nucleares que liberan la energía almacenada en el núcleo de un átomo. Pero hay importantes diferencias entre ambas. La fisión nuclear es la separación de un núcleo pesado en núcleos más pequeños, mientras que la fusión nuclear es la combinación de núcleos ligeros para crear uno más grande y pesado.

Fisión

La fisión nuclear se trata de una reacción en la cual un núcleo pesado, al ser bombardeado con neutrones, se convierte en inestable y se descompone en dos núcleos, cuyas masas son del mismo orden de magnitud, y cuya suma es ligeramente inferior a la masa del núcleo pesado, lo que origina un gran desprendimiento de energía y la emisión de dos o tres neutrones.

Estos neutrones, a su vez, pueden ocasionar más fisiones al interaccionar con otros núcleos fisionables que emitirán nuevos neutrones, y así sucesivamente. Este efecto multiplicador se conoce con el nombre de reacción en cadena. En una pequeña fracción de tiempo, los núcleos fisionados liberan una energía un millón de veces mayor que la obtenida, por ejemplo, en la reacción de combustión de un combustible fósil.

Si se logra que solo uno de los neutrones liberados produzca una fisión posterior, el número de fisiones que tienen lugar por unidad de tiempo es constante y la reacción está controlada.

fision

Gráfico: En el proceso de fisión nuclear, el uranio 235 (el único isótopo fisible del uranio que seencuentra en la naturaleza) se combina con un neutrón para formar un intermediario inestable, el cual rápidamente se divide (en una de las posibles reacciones) en bario 144 y criptón 89, más tres neutrones.

Este es el principio de funcionamiento en el que se basan los reactores nucleares que se encuentran en operación en la actualidad para la generación de energía eléctrica.

Fusión

La fusión nuclear es una reacción en la que dos núcleos muy ligeros se unen para formar un núcleo estable más pesado, con una masa ligeramente inferior a la suma de las masas de los núcleos iniciales. Este defecto de masa da lugar a un gran desprendimiento de energía. La energía producida por el Sol tiene este origen.

Para que tenga lugar la fusión, los núcleos cargados positivamente deben aproximarse venciendo las fuerzas electrostáticas de repulsión. En la Tierra, donde no se puede alcanzar la gran presión que existe en el interior del Sol, la energía necesaria para que los núcleos que reaccionan venzan las interacciones se puede suministrar en forma de energía térmica o utilizando un acelerador de partículas.

Una reacción típica de fusión nuclear consiste en la combinación de dos isótopos del hidrógeno, deuterio y tritio, para formar un átomo de helio más un neutrón.

fusion

Gráfico: El deuterio y el tritio se combinan por medio de la fusión nuclear para formar helio mas un neutrón.

Un ejemplo de fusión natural es la energía producida en el interior del Sol. Los átomos de hidrógeno, sometidos a enormes presiones gravitatorias, colisionan entre sí y se fusionan a temperaturas muy elevadas (en torno a 15 millones Cº). Cada segundo se fusionan 600 millones de toneladas de hidrógeno, formando helio. En la actualidad aún no hay reactores comerciales de fusión, ya que es una tecnología por el momento experimental. Un ejemplo es el reactor experimental de fusión ITER que se está construyendo en Cadarache (Francia). Se trata de un proyecto de investigación científica y de cooperación internacional que tiene como objetivo determinar la viabilidad tecnológica y económica de la fusión nuclear por confinamiento magnético.