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ENERGÍA NUCLEAR DE FUSIÓN
ENERGÍA NUCLEAR DE FUSIÓN
Origen (1)

Su origen se encuentra en la fusión de dos núcleos atómicos para dar
lugar a la aparición de otro núcleo más pesado, pero algo menos que la
suma de los dos iniciales.

Esa diferencia se transforma en energía, según la conocida expresión
E=m·c2.

Para que una reacción de fusión pueda tener lugar se precisa acercar lo
suficiente los dos núcleos atómicos a unir, lo que implica vencer las
fuerzas de repulsión culombiana, que a estas escalas resultan ser muy
grandes.

La combinación de elevada presión, eleva densidad y eleva temperatura
en una sustancia conduce a que los electrones queden liberados de los
núcleos y se alcanza un estado de la materia denominado “plasma”. En
estas condiciones, la cercanía de los núcleos, además de su elevada
energía cinética (temperatura muy alta), permite vencer la repulsión
culombiana y hacer posible las reacciones de fusión.
ENERGÍA NUCLEAR DE FUSIÓN
Origen (2)

El Sol (y todas las estrellas) es un enorme reactor de fusión,
formado principalmente por H2, que al unirse entre sí, forman
átomos de helio (He), (un átomo de He tiene una masa algo
menor que los dos de H2), liberando una gran cantidad de
energía, de acuerdo con la expresión:
41H + 2e → 4He + 21n + 6 fotones +26MeV

Para que esta reacción pueda tener lugar se precisa una presión
de 108 bares (posible dada la enorme masa del Sol, y las
consecuentes fuerzas gravitatorias), una temperatura de 107ºK
(>100 millones de ºC) y una densidad de 104ºKg/m3.

(En el sol, cada segundo, 564 millones de Tn de H2 se
transforma en 560Tn de He, con una temperatura de 20
millones de ºC y presiones de 100.000 millones de atmósferas)
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Origen (3)

La reacción Deuterio-Tritio es la más fácil de conseguir,
puesto que requiere temperaturas relativamente más bajas
(el deuterio es muy abundante en la naturaleza,
encontrándose en un concentración de 30g/m3 en el agua
del mar; sin embargo el tritio no se encuentra en estado
natural, y se produce en una reacción nuclear a partir del
litio natural, que sí es abundante en la naturaleza)

En la reacción, los neutrones fisionan el litio en helio y
tritio, para posteriormente fusionarse al deuterio y el tritio y
formar helio, liberando un neutrón y gran cantidad de
energía.
7
3
Li 1n 24He 13H 1n  2.5MeW
2
1
H 13H  24He 1n  17 MeW
ENERGÍA NUCLEAR DE FUSIÓN
Origen (4)
La reacción Deuterio-Deuterio es más difícil de
conseguir.
En esta se produce helio y un neutrón, o también,
tritio y un protón.


2
1

H  H  He  n  3.2MeW
2
1
3
2
1
También
2
1
H  H  He  p  4MeW
2
1
3
1
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Origen (5)
La reacción Deuterio-tritio reacción y la reacción Deuterio-Deuterio
ENERGÍA NUCLEAR DE FUSIÓN
Potencial Energético




Tanto el deuterio como el tritio son sustancias muy
abundantes en la Tierra.
1m3 de agua de mar contiene 1025 átomos de Deuterio,
con una masa de 34,4gr. y una energía de 8x1012 julios.
(Equivale a 300Tn de carbón o 1.500 barriles de
petróleo)
Ello significa que 1Km3 de agua de mar equivale a
300.000 millones de Tn de carbón o 1.500 millones de
barriles de petróleo. Como los océanos tienen 1.500
millones de Km3 de agua, el empleo de 1% del deuterio
del océano equivale a 500.000 veces la energía de todos
los combustibles fósiles existentes.
En cuanto al tritio, puede obtenerse a partir de la fusión
de los átomos de litio, cuyas reservas también pueden
considerarse ilimitadas
ENERGÍA NUCLEAR DE FUSIÓN
Formas de aprovechamiento y Reservas
Formas de aprovechamiento

La única forma de aprovechamiento es producir calor y
evaporar agua, para su posterior conversión en energía
mecánica mediante una turbina de vapor y de estas,
finalmente, obtener energía eléctrica.

La formación de 1kg de He a partir de H2 libera una
energía equivalente a 27.000Tn de carbón.
Reservas

Pueden considerarse, a efectos prácticos, ilimitadas.
ENERGÍA NUCLEAR DE FUSIÓN
Tecnología de la energía de fusión (1)
La tecnología de fusión se encuentra aún en fase
“preexperimental”. El problema radica primero en la producción
del plasma (lo que requiere un considerable aporte energético)
y luego mantenerlo confinado el tiempo suficiente, y en las
condiciones de presión, temperatura y densidad, para que las
reacciones de fusión puedan iniciarse y mantenerse.
Dada la tendencia del plasma a difundirse (separándose los núcleos
unos de otros a gran velocidad), es necesario confinarlo en un
espacio cerrado de donde no pueda escaparse. Además, debido
a las altas temperaturas, el plasma no puede tocar las paredes
de la vasija de confinamiento, no sólo porque provocaría la
destrucción de las paredes, sino porque mucho antes de que
esto ocurriera, la erosión de la misma contaminaría el plasma,
haciéndole literalmente desaparecer.
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Tecnología de la energía de fusión (2)
Existen en la actualidad dos tecnologías (probadas) para la
confinación del plasma: el “confinamiento magnético” y el
“confinamiento inercial”.
En el confinamiento magnético, las partículas de plasma (cargadas
positivamente) se mantienen en una trayectoria toroidal por
medio de un campo magnético del orden de varias Teslas
(100.000 veces más intenso que el campo magnético terrestre)
ENERGÍA NUCLEAR DE FUSIÓN
Tecnología de la energía de fusión (3)
Una vez confinado el plasma hay que cederle energía para alcanzar
la temperatura de ignición necesaria para desencadenar la
reacción de fusión.
Como el plasma magnéticamente confinado tiene una densidad muy
baja (1014 iones/cm3, inferior al estado sólido), la temperatura
se debe elevar hasta los 46 millones de grados. Para elevar el
plasma a estas temperaturas se utilizan técnicas de
radiofrecuencia e inyección de neutrones acelerados.
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Tecnología de la energía de fusión (4)
Calentador de plasma.
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Tecnología de la energía de fusión (5)
ENERGÍA NUCLEAR DE FUSIÓN
Tecnología de la energía de fusión (6)

En el confinamiento inercial, el plasma es de alta densidad,
baja temperatura y muy bajo tiempo de confinamiento.

El combustible está confinado en un recipiente esférico de
dimensiones milimétricas, denominado “blanco de fusión”.

Al iluminar la superficie exterior del blanco con un láser muy
potente se produce un proceso de ablación de la superficie del
blanco y su comprensión hasta densidades del orden de 100 a
1.000 veces la normal del combustible, lo cual además induce
una fuerte subida de la temperatura (puede alcanzar los 40
millones de grados), dando todo ello como resultado la fusión
del material del blanco y la liberación de la correspondiente
energía.
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Tecnología de la energía de fusión (7)
ENERGÍA NUCLEAR DE FUSIÓN
Perspectivas (1)
La primera planta experimental construida para desencadenar
una reacción de fusión fue el reactor JET (Join European
Tourus) construida en 1991 en Inglaterra, y correspondía a un
sistema de confinamiento magnético.
En el JET se
produjeron 16MW,
durante 2 segundos, y
se emplearon 100MW
para calentar el
plasma. Pasados los
dos segundos el
plasma se volvía
inestable y la fusión
nuclear se paraba
ENERGÍA NUCLEAR DE FUSIÓN
Perspectivas (2)
Reactor experimental ITER
Recogiendo las experiencias del JET se ha desarrollado un nuevo
proyecto de reactor experimental de fusión, denominado ITER
(Internacional Thermonuclear Experimental Reactor), entre los años
1991 y 1998.
Después de varias vicisitudes “políticas” (incluyendo la retirada
temporal de Estados Unidos del proyecto), en la actualidad se ha
decidido su construcción, en suelo francés.
El reactor ITER tiene una altura de 30 metros y una anchura de 40.
El diámetro del eje del toro es de 12,4 metros, mientras que el
diámetro de su sección (no exactamente circular, si no en forma de
D) es de 4m. El volumen total de la cámara del reactor es de 837m3.
La intensidad del campo magnético es de 5,3 Teslas. La potencia
introducida en el sistema durante su funcionamiento normal es de
40MW, para producir una potencia de fusión de 400MW (ganancia
10)
ENERGÍA NUCLEAR DE FUSIÓN
Perspectivas (3)
Aunque inicialmente se pensó en un reactor con capacidad para
mantener la reacción de fusión durante 20 minutos, los altos costes
y la complejidad de la marcha “en continuo” han llevado a que el
modelo actual mantenga el plasma confinado durante 3,7 segundos
en plena reacción de fusión
El reactor trabaja con una mezcla de deuterio y tritio, al que hay que
elevar su temperatura hasta los 100 millones de grados para la
formación del plasma.
El sistema para elevar la temperatura de la mezcla a ese nivel
absorbe una potencia de 73MW.
Para el aumento posterior de la temperatura hasta el nivel de
ignición se dispone de un ciclotrón de electrones, otro de iones y un
acelerador de neutrones, encontrándose aún en discusión al sistema
a emplear. La potencia a suministrar por la red durante esa
aceleración alcanza los 400MW (durante décimas de segundo)
ENERGÍA NUCLEAR DE FUSIÓN
Perspectivas (4)
ENERGÍA NUCLEAR DE FUSIÓN
Perspectivas (5)
ENERGÍA NUCLEAR DE FUSIÓN
Perspectivas (6)
En torno al toro se sitúan 18 bobinas superconductoras (cada una de
290Tn, 14m de alto y 9 de ancho) que suministran el campo
magnético (en la parte posterior va otra bobina de 840Tn y 12m de
altura)
Para facilitar la superconductividad de las bobinas se dispone de un
criostato y un depósito térmicamente aislado (que encierra la vasija
y las bobinas), a una temperatura de -276ºC. Esta planta funciona
con Helio, con una potencia de refrigeración de 660KW.
Para evitar cualquier impureza de la cámara de fusión (que provoca
una disminución de la reacción de fusión) hay que provocar el vacío
en su interior.
La pared interior de la cámara de fusión tiene una estructura de
mosaico o escamas, encargada de absorber los impactos de las
partículas de alta energía que escapan del confinamiento magnético.
Está formada por 421 módulos, fácilmente reemplazables cuando
sean deteriorados.
ENERGÍA NUCLEAR DE FUSIÓN
Perspectivas (7)
El helio generado durante la fusión nuclear es extraído del toro por
medio del “divertor”, integrado por 54 módulos con un peso total de
12Tn.
Finalmente, todo el reactor está rodeado por una estructura de acero
y otra de hormigón armado que protege a los operarios de las
radiaciones.
La construcción de ITER durará 10 años, con un coste de 4.750
millones de euros. Se prevé una sucesión de experimentos en
diferentes condiciones de funcionamiento, que pueden implicar
reformas estructurales, con una duración de 20 años.
El coste total del proyecto superará los 10.300 millones de euros, e
involucrará a varios miles de ingenieros y físicos.
ENERGÍA NUCLEAR DE FUSIÓN
Perspectivas (8)
 Si se confirmasen las expectativas (viabilidad técnica de los
reactores de fusión con confinamiento magnético) se construirá un
nuevo reactor, denominado DEMO donde ya se le acoplaría una
turbina comercial para generar energía eléctrica (con una potencia
del orden de los 4000MW)
que descontando la energía necesaria
para inducir la fusión, la potencia real, conectada a la red, sería de
1.300MW. Este logro podría alcanzarse no antes del año 2.040.
 En cuanto a las tecnologías basadas en el confinamiento inercial,
en la actualidad se encuentra a punto de terminarse la construcción
de la instalación NIF (Nacional Ignition Facility), en el laboratorio
de Lawrence, Livermore, en Estados Unidos, con el cual se
pretende mostrar la viabilidad de este sistema de reactor de fusión.