diciembre 4, 2022

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¿Puede la fusión nuclear salvar la transición energética?

¿Puede la fusión nuclear salvar la transición energética? como se justifica por favor en el ultimo video Le hemos dado una idea de los antecedentes físicos de la fusión nuclear. Le hemos dado una idea de la física de las partículas más pequeñas, donde los núcleos atómicos se fusionan en núcleos más grandes, liberando toneladas de energía en el proceso.

Este video trata sobre un proyecto gigante que se supone debe mostrar el camino hacia el uso técnico de la fuente de energía limpia e inagotable. Entonces, por una buena razón, este proyecto tiene el nombre “ITER”, que es la palabra latina para camino.

¿Nos llevará este camino a la meta? Y si es así, ¿por cuánto tiempo?

El objetivo es acercar los núcleos atómicos de hidrógeno para que la fuerte interacción supere la repulsión eléctrica entre los núcleos y se produzca la fusión requerida. Para ello, tendremos que golpear los núcleos con mucha fuerza.

En cada gas, los átomos chocan constantemente y cuanto más caliente es el gas, más fuerte es. Así que vamos a calentarlo tanto como podamos y ver qué pasa. Aproximadamente a 10.000 °C, las colisiones son tan fuertes que los electrones son arrancados de los átomos: erosión atómica, por así decirlo. El resultado es una sopa muy caliente de núcleos desnudos y electrones libres. Esta sopa se llama “plasma”.

Ahora todo lo que tenemos que hacer es fusionar nuestros núcleos libres. Para ello, la temperatura debe aumentarse por un factor de más de 10.000, hasta unos 150 millones de grados.

La frecuencia de fusión es mayor si no trabajamos con hidrógeno diario, sino con deuterio (D) y tritio (T). El deuterio (D) y el tritio (T), a diferencia del tipo común de hidrógeno, también llevan uno o dos neutrones (n) en sus núcleos. Esto aumenta la posibilidad de fusión. Entonces, el núcleo de deuterio es 1p1n y el tritio es 1p2n. Si ya ha tenido lugar una fusión, se verá así:

1p1n + 1p2n → 2p2n + 1n + energía

Pero incluso con deuterio y tritio, a estas temperaturas insanas, solo una pequeña parte de las colisiones son lo suficientemente violentas como para estimular la fusión. Sin embargo, si miramos de cerca, veremos que algunos de los candidatos ni siquiera tenían la energía suficiente para superar el muro de repulsión eléctrica, ¡pero aún estaban fusionados!

¿Están permitidas las partículas para hacer esto? ¿No contradice eso la ley de conservación de la energía? ¡De alguna manera, hice un túnel a través de la pared en lugar de escalarla! Aquí es donde entra la madre de la física cuántica, el Principio de Incertidumbre. Como resultado, a veces la partícula no sabe exactamente dónde está y de repente se encuentra dentro de la pared del cráter. Con la conservación de la energía, esto es bueno, porque no se encuentra en toda su altura desde el borde del cráter hasta las profundidades.

producto de fusión 2p2n es el núcleo de gas helio, que también encontramos en el Sol, y norte Es un solo neutrón que vuela muy rápido y la mayor parte de la energía mi Se lleva consigo, que se hizo libre para integrarse. Podemos utilizar esta energía para generar electricidad después de unos pocos pasos intermedios.

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Por cierto, el tritio requerido, a diferencia del deuterio, no está disponible como materia prima natural. Esto se debe a que el núcleo es inestable y se descompone espontáneamente, con una vida media de 12 años. Así que tenemos que hacer las cosas de alguna manera y luego debemos tener cuidado con su radiactividad. Pero estos son obstáculos menores en comparación con el resto de nuestra historia.

Dame 150 millones de puntajes y vámonos. – Desafortunadamente, hay un problema. Si bien podemos poner una pieza de metal sobre la mesa, verter líquido en un recipiente, bombear gas a una botella, con el plasma tenemos que tener cuidado de no tocar las paredes del recipiente. O se enfría en el proceso o el recipiente se evaporará; de cualquier manera, el plasma se perderá.

¿Y cómo funciona eso en el sol?

¿Y cómo funciona eso en el sol? Está hecho casi en su totalidad de plasma, ¿no es así? El sol mantiene unido el plasma a través de su inmensa gravedad. No puedes hacer eso en la Tierra.

Hay un truco: el magnetismo. Los núcleos atómicos y los electrones que forman el plasma están cargados eléctricamente y se mueven muy rápidamente. Las partículas eléctricas se desvían de su camino en los campos magnéticos y siempre son perpendiculares al movimiento instantáneo y perpendiculares a las líneas magnéticas. Entonces se mueven en círculo o en espiral alrededor de las líneas magnéticas. Entonces, los átomos y los electrones pueden volar hacia adelante sin obstrucciones paralelas a las líneas magnéticas. Entonces, tomas un tubo y lo colocas a lo largo en un campo magnético. Ahora es más difícil que el plasma se desplace hacia las paredes del tubo, pero es libre de moverse longitudinalmente.

Sin embargo, cuando el plasma llega a las caras finales del tubo, la magia termina. Investigadores inteligentes en Rusia ahora doblan un tubo de este tipo en un anillo y sueldan los extremos abiertos. Entonces parecía una “rosquilla”, dentro de la cual hay un campo magnético en lugar de un atasco. Llamaron a la estructura Tokamak.

Pones un poco de gas en un tokamak, aplicas un campo magnético, calientas todo a 150 millones de grados y esperas la fusión nuclear. Durante seis décadas, se construyeron unas pocas decenas de estas máquinas en diferentes países. “Y” ahora preguntará, “¿Realmente sucedió la fusión nuclear?” ¿Tuviste éxito? “

¿Funciona la fusión nuclear?

En principio sí, pero siempre se obtiene menos energía de la que se necesita para calentar el plasma. Esta relación, el factor Q, siempre ha sido menor que uno. Sin embargo, uno no perdía la esperanza. He aprendido que cuanto más grande haces la cosa, mejores son las probabilidades.

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Y así se decidió construir ITER, el jumbo para todos los tokamak, que esperemos que no se convierta en un elefante blanco. El diámetro del aro es de 12 metros es bueno. Si ahora imaginas esta “rosquilla” como una corona que rodea una cinta envuelta en espiral, te harás una idea de las bobinas magnéticas que se utilizan allí.

Sin embargo, no está hecho de gasa roja, sino de un compuesto químico de niobio-estaño (Nb3Sn). Usted puede preguntarse con razón: ¿Por qué esta complejidad? ¿Por qué no solo cobre, como todas las demás bobinas? ¡El cobre metálico tiene una resistencia eléctrica muy baja! Esto puede ser cierto, pero Nb3Sn tiene menos resistencia, es decir, ninguna. Es un “superconductor”. La corriente, una vez empujada, continúa fluyendo por sí sola.

Sin embargo, esto tiene su precio. Todos los superconductores deben mantenerse a muy baja temperatura, en este caso cuatro grados sobre cero; Sin embargo, por encima del cero absoluto, esto también es menos 269 grados centígrados. Mantener tantas toneladas de material a esta temperatura ultrabaja es un gran desafío para los ingenieros, y es solo una de las muchas fórmulas para lograr la superioridad tecnológica y los récords mundiales al construir ITER.

En términos de tamaño, peso y complejidad, la construcción de esta máquina es posiblemente uno de los proyectos más complejos que la humanidad haya emprendido jamás. ¿Alcanzará su objetivo? Y si es así, ¿cuándo?

Los movimientos de tierra para construir ITER comenzaron en el sur de Francia en 2008. La construcción del dispositivo demoraría 10 años, y la primera “producción de plasma” estaba programada para 2020. Este hito proporcionaría evidencia de que el toro podría albergar plasmas y que los campos magnéticos , vacío, corrientes, etc. realmente se comportan según lo calculado. Sin embargo, en este punto, todavía estamos a kilómetros de la primera fusión, ya que las temperaturas deberían ser mil veces más altas.

Esta primera fusión se planeó originalmente para 2023. Sin embargo, la última hoja de ruta prevé lograr el primer plasma en 2025 y la primera fusión completa en 2035. Los hitos claramente se están impulsando hacia el futuro a grandes pasos, lo que no es sorprendente dada la gran complejidad. para la máquina

En 2035, ¿tendremos una máquina que entregue cantidades ilimitadas de electricidad limpia?

Después de todo, si eso funciona en 2035, ¿tenemos la máquina que proporcionará cantidades ilimitadas de electricidad limpia? Ahora hay que sacar el gato de la bolsa: la respuesta es no. El objetivo declarado de ITER es producir un plasma de deuterio-tritio en el que se genere una potencia de fusión de 400 megavatios durante un período de 400 segundos, con un máximo de 40 megavatios para calentar el plasma. Si esto se consigue en 2035, como estaba previsto, el ITER habrá hecho su parte.

Las experiencias con ITER deben fluir hacia una máquina llamada “DEMO”, que debe convertir la energía de fusión en energía eléctrica de al menos 500 megavatios. Con suerte, es más de 400 segundos de duración. Sin embargo, DEMO es solo para ilustración y no para alimentación de rutina en la red.

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Usemos una analogía para demostrar la ardua progresión hacia el poder de la fusión: en comparación con la ruta de los viajes aéreos de pasajeros globales de rutina, el experimento de fusión planificado por ITER para 2035 es equivalente al primer vuelo de los hermanos Wright, con una duración de casi 400 segundos, a principios de 1900 Se ha comprobado que los objetos más pesados ​​que el aire pueden volar de forma controlada.

Si el piloto que sucedió al ITER lograra su objetivo, correspondería al primer vuelo sin escalas a través del Atlántico desde Terranova a Irlanda en 1919. Pero lo que finalmente se requiere es el uso rutinario de la energía de fusión a escala industrial, que es decir, sin los problemas de tráfico de larga distancia, por así decirlo, se hizo realidad a mediados de la década de 1960 con el Boeing 707, y ha ido mejorando continuamente desde entonces.

Aquí se puede tomar otra consideración: los genios estaban detrás de la mayoría de las obras de arte históricas. Sin Ferdinand Porsche no habría Volkswagen, sin Werner Braun no habría alunizaje, y sin Elon Musk no habría Tesla Roadster orbitando el sol hoy. Estos hombres persiguieron y lograron las metas establecidas con una obsesión e inteligencia sobresalientes. Estos rasgos de personalidad no pueden ser reemplazados por billones y billones. Al contrario: tal vez todo ese dinero atraiga a los personajes equivocados.

Así que volvamos a la pregunta que hicimos al principio: ¿la fusión nuclear proporcionará la transición energética? ¿Reemplazará pronto el suministro destrozado de carbón y energía nuclear? claro que no.

¿Generará grandes cantidades de electricidad a medio plazo? En el camino tomado por ITER, puede que no sea antes de 2075.

También hay reportes de otras acciones, de startups prometedoras. ¿Podrían ser más rápidos? Eso sería un milagro.

Es muy posible que el uso de la fusión para generar electricidad no sea técnicamente factible. Esto puede ser técnicamente factible pero no económico. En cualquier caso, sería inconcebible ver la fusión como un factor realista en la planificación energética estratégica actual.


El Dr. Hans Hofmann-Reinecke estudió física en Munich y luego trabajó en investigación de física nuclear durante 15 años. En la década de 1980, trabajó para el Organismo Internacional de Energía Atómica (OIEA) en Viena como inspector de salvaguardias. Hoy vive en Ciudad del Cabo.

Más sobre el tema en el blog del autor Think-Again


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