Usuari:Mcapdevila/Reactor de fusió per confinament magnètic

Secció del reactor Tokamak de ITER, el més rendible i prometedor de tots els reactors de fusió termonuclear.

Un reactor atòmic de fusió termonuclear per confinament magnètic és un projecte experimental, vialment possible, que es troba en procés de disseny i realització. S'utilitzen per a la generació d'energia a partir de la Fusió nuclear d'ions confinats per camps magnètics. Es basen en el funcionament de les reaccions termonuclears produïdes en els estels, que són reactors de fusió naturals i solen utilitzar l'hidrogen com a combustible, ja que és l'element químic més senzill i comú d'univers. Com a resultat, en contreure i fusionar sota la pressió extrema de la gravetat, l'hidrogen és reconvertit en heli. En aquestes reaccions, al voltant del 0,5% de la massa de l'hidrogen es converteix en energia, d'acord amb la famosa equació d'Albert Einstein E = mc2 que relaciona la massa i l'energia. D'aquesta manera, les estrelles irradien energia en forma de llum i de calor.

Per poder reproduir una fusió artificial a petita escala, en lloc de l'hidrogen, utilitzem el deuteri i el triti com a combustibles, ja que aquests dos isòtops de l'hidrogen, necessiten una menor energia calorífica per fusionar-que la utilitzada per les estrelles. Els reactors experimentals en construcció (ITER) guiaran la viabilitat dels diferents sistemes de generació d'energia per fusió en el nostre planeta.

Funcionament

El Sol és un reactor natural de fusió termonuclear.

Fusió: deuteri & triti = heli & neutró+energia.

Per entendre una mica millor el fenomen de fusió nuclear cal endinsar-se en la física atòmica i tenir en compte que l'àtom es compon d'un nucli central que està format per protons, que tenen càrrega positiva, i neutrons, que són neutres; o sigui que no tenen càrrega elèctrica. Orbitant al voltant del nucli es troben els electrons, carregats negativament.

La força nuclear forta és la força fonamental que manté unit el nucli, els protons i els neutrons. Els electrons, que tenen càrrega negativa, resulten atrets cap al nucli per unes forces elèctriques que són menys potents que la força nuclear forta.

Perquè pugui existir una reacció de fusió, dos àtoms lleugers han d'unir els seus nuclis obtenint com a resultat un nucli més gran. En aquest procés s'allibera energia que prové de la força nuclear forta que unia el nucli.

Per aconseguir fusionar dos àtoms cal superar la força de repulsió que exerceixen els protons dels dos nuclis un sobre l'altre. Només si els dos nuclis s'acosten prou, poden superar la cresta de repulsió. Això s'aconsegueix fent-los xocar a gran velocitat i elevant la temperatura del reactor a uns 150 milions de graus.

A aquestes temperatures els àtoms es mouen a una velocitat tal que se separen en nuclis i electrons lliures, ja que deixen d'estar units per la força elèctrica que els unia. Aquest estat de la matèria és el quart estat, per sobre de l'estat gasós. A aquest quart estat es denomina «plasma».

Per poder conservar aquesta altíssima temperatura cal evitar que el plasma xoc contra les parets del reactor. Parell evitar aquests xocs s'utilitzen camps magnètics. Amb l'ajuda dels camps magnètics, les partícules del plasma seguiran les línies magnètiques, com si fossin guiades per un carril. Per evitar que les partícules xoquin amb els extrems del reactor, científics russos van inventar el reactor "Tokamak".

Un tokamak o cambra toroïdal és un reactor de fusió de forma cilíndrica i anular (alguna cosa semblant a una rosquilla o la càmera de goma d'una roda d'automòbil). Un tub sense extrems envoltat exteriorment amb unes bobines que han de proporcionar-li el camp magnètic. Aquest tipus de reactor també rep el nom de toro.

Dins el tokamak la temperatura és molt alta: uns 150 milions de graus. Perquè el reactor sigui segur necessita tenir una pressió baixa perquè la densitat del plasma també ho sigui. Això és una cosa que tecnològicament pot ser complicat, però és indispensable per al bon funcionament del reactor.

En un reactor de fusió el combustible (deuteri i triti) no produeixen una reacció en cadena que pugui contaminar l'ambient en cas d'accident, com passa amb la fissió nuclear. Si al reactor de fusió se li deixa de subministrar combustible, la reacció s'atura, la qual cosa fa que aquest tipus de reacció per fusió sigui neta, segura i ecològica.

Interior d'un reactor de fusió Tokamak

En la fusió, s'utilitza com a combustible el deuteri i el triti, que són isòtops de l'hidrogen. El deuteri cal fusionar-lo amb un àtom de triti per així poder obtenir com a resultat d'aquesta reacció un neutró, un àtom d'heli i molta calor, com a resultat de la destrucció de la força nuclear forta, del nucli dels àtoms del deuteri i el triti.

Fusionant el liti s'obtindria triti i heli. Les reserves de liti en el planeta són molt abundants, de manera que tindríem triti per milers d'anys.

El deuteri s'obté l'hidrogen que hi ha a l'aigua, per la qual cosa es converteix en una font gairebé inesgotable de combustible. En un litre d'aigua hi ha 33 mil·ligrams de deuteri i si ho fusionéssim amb el triti s'obtindria una energia comparable a 350 litres de gasolina.

En un reactor de fusió la presència de triti és un aspecte de seguretat important, perquè és un gas radioactiu que en estat natural triga dotze anys a tornar-innocu. Artificialment es produeix a l'interior del reactor a partir de liti. Per això no cal transportar el material radioactiu. En una central en funcionament mai s'acumularia molta quantitat d'aquest element químic. Les parets del reactor es tornen radioactives; aquesta radioactivitat desapareixerà totalment en uns cinquanta anys.

El projecte ITER demostrarà que el mètode de fusió és viable científica i tècnicament. L'ITER haurà de ser capaç de generar 500 megawatts d'energia durant cert temps. El projecte tindrà una funció experimental per provar tecnologies imprescindibles per crear multitud de centrals de fusió industrial a tot el món. Per 2040 s'estima que estarà acabat tot el projecte de recerca. L'ITER produirà deu vegades més que l'energia que fa servir com a combustible.

Els socis del projecte ITER, liderats per la Unió Europea són Els Estats Units, Xina, Rússia, Japó i Corea del Sud.

CIEMAT és el referent de recerca espanyola en el camp de la fusió nuclear. El juny de 2005 els socis del projecte ITER han acordat construir a França i tindrà un cost de construcció d'uns 4.700.000.000 (quatre mil set-cents milions) d'euros, podent arribar el total del finançament a 15.000.000.000 (quinze mil milions) d'euros.

L'ITER entrarà en funcionament en uns quinze anys i s'espera que per a mitjans de segle les noves generacions puguin gaudir d'una energia que no embargui el futur de la humanitat.

Tokamak

Toroide.

Un Tokamak és un reactor de fusió, que té forma de cambra toroïdal o cilindre anular toroide, alguna cosa semblant a una rosquilla sense extrems. Pel seu interior circula el plasma confinat, a més de 150 milions de graus, que és guiat des de l'exterior, per un camp magnètic, amb la finalitat que el plasma no toqui les parets del Tokamak i perdi temperatura. El radi del toroide de plasma del Tokamak ITER és de 2 metres de radi intern i 6,2 metres de radi extern. Aquest Tokamak té diverses bombes trucades crypomps, que s'encarregaran de refredar els imants. Un dels components que ajuden a elevar la temperatura del plasma, fins que arribi a la temperatura crítica són els injectors d'emissors de partícules. El plasma que circula a l'interior del torus central està compost per 50% deuteri i 50% triti, el qual pot generar milions de watts , el que proveiria a milers de cases, però es requereix també molta energia per mantenir el plasma circulant a aquestes temperatures.

El camp magnètic d'un Tokamak, es compon de:

1. Solenoide central: superconductor que indueix la corrent en el plasma.
2. Bobina toroïdal: superconductores que confinen i estabilitzen el plasma. Estan situades exteriorment en espiral al voltant del toroide.
3. Bobina poloïdal: superconductores que confinen i posicionen el plasma del toroide. Es posicionen en la part més exterior, longitudinalment al toroide.
4. Cambra de buit: manté en buit el plasma i és la primera barrera de confinament per al titrio que es troben a l'interior del toroide.
5. Transformadors: condueixen l'electricitat que abasteix a les bobines toroidals i poloïdal.

Stellarators

Els stellarators són reactors de fusió toroidals amb un camp magnètic poloïdal produït per bobines exteriors al plasma. El seu funcionament és continu, ja que no existeix cap corrent plasmàtica inductiva i no existeix el risc de disrupcions en no tenir corrent intern en el plasma. Els actuals stellarators estan donant bons resultats, igualant als resultats obtinguts en tokamaks. Hi ha tres tipus de stellarators:

1. Torsatrons: Tenen bobines helicoïdals contínues.
2. Modulars: Les seves bobines no són planes.
3. Heliacs: Conjunt de bobines planes circulars, distribuïdes al llarg d'una hèlix enrotllada al voltant d'una bobina central circular.

Plasma

És el quart estat de la matèria, és un gas ionitzat, o sigui que els nuclis estan separats en dos tipus de partícules, ions (positius) i electrons (negatius). D'aquesta forma el plasma és un estat semblant al gas, però compost per electrons, cations (ions de càrrega positiva) i neutrons, tots ells separats entre si i lliures, per això és un excel·lent conductor.

Confinament inercial

Es basa en la generació ràpida d'energia abans que el plasma tingui temps d'expandir-se. El combustible a baixa temperatura s'escalfa ràpidament des de la superfície, obtenint com a resultat un plasma que es comprimeix fins a arribar a densitats molt elevades i temperatures termonuclears. Això dóna lloc a una combinació nuclear i la calor generada s'expandeix cap a l'exterior, escalfant el plasma que troba.

El camp magnètic

Trampa magnètica toroïdal

Tindrà només dos components, un toroïdal i un altre poloïdal

Els fonaments magnètics del confinament plasmàtic són:

1. El camp magnètic toroïdal: és el generat per les bobines equidistants que hi ha al voltant del toroide.
2. El camp magnètic poloïdal: el produït per un corrent elèctric que flueix a l'interior del plasma, induïda principalment pel silenoide central.
3. El camp magnètic helicoïdal: és el camp resultant de la suma dels camps toroïdal i poloïdal. Té forma de molla enrotllada sobre si mateixa.
4. Electroimants que indueixen corrent en el plasma.

Camp toroïdal

Es conforma amb bobines. El gir tridimensional de l'eix central de la configuració es genera mitjançant dues bobines centrals: una circular i una altra helicoïdal. La posició horitzontal del plasma es controla mitjançant les bobines de camp vertical.

Trampa magnètica

S'obté mitjançant diversos conjunts de bobines (circular i helicoïdal) que configuren totalment les superfícies magnètiques abans de generar el plasma. L'acció conjunta d'aquests camps magnètics genera superfícies magnètiques que guien les partícules del plasma perquè no xoquin amb les parets de la cambra. El plasma s'escalfa amb microones a la freqüència ciclotrònica dels electrons i injecció de feixos d'àtoms neutres d'hidrogen.

Enllaços externs

• Solar Ciència-Contingut tècnic i educatiu
• Trampes magnètiques-Tres mil·lennis de l'imant