ITER: El poder de las estrellas

El proyecto más grande de fusión nuclear ITER, con la colaboración de 35 países, entra a la importante fase de ensamblaje. Inspirado en el mismo principio que hace brillar a las estrellas, la fusión nuclear promete una energía no contaminante y casi ilimitada.

Por: David Céspedes Gonzales

 

Septiembre 3, 2020
Proyecto ITER a fecha de 27 de mayo de 2020.Fuente: ITER Organization/EJF Riche.

ITER: El Camino

El pasado 28 de Julio en Cadarache, Francia se dio inicio  a una nueva etapa del proyecto ITER con el inicio del ensamblaje. En el evento el  presidente Emmanuel Macron de Francia  resaltó la importancia de este acontecimiento junto a la presencia de otros mandatarios.

El proyecto ITER -el “camino” en latín- empezó oficialmente en 1988 [1]. Sin embargo, sus orígenes se pueden encontrar en la década de los 70. En un contexto de una crisis energética global que vivió sus momentos más álgidos con la crisis del petróleo de 1973 y la segunda crisis del petróleo de 1979. Antes de esta década las fuentes de energía no habían sido consideradas como asuntos prioritarios en la economía de las naciones [2].

Desde 1973 hasta el 2017 la Agencia Internacional de Energía (IEA, por sus siglas en inglés) indica un claro incremento en el consumo de derivados de fósiles como principal fuente de energía.Como todos sabemos ha quedado demostrado los efectos ambientales muy dañinos. Además es un recurso cada vez más escaso, más difícil de extraer y más caro. Las energías renovables han tenido gran impacto en nuestra sociedad moderna como una alternativa ecológica. Sin embargo, a pesar de los grandes esfuerzos todavía no representan nuestra principal fuente de energía. Las proyecciones de la IEA sobre el consumo energético para el 2030 nos indica que las energías renovables contribuirán con menos del 10% [3]. Por otra parte, la energía nuclear todavía representa un peligro para nuestra sociedad como hemos visto en los casos de Chernóbil o más reciente el caso de Fukushima. La solución que se planteó  fue la diversificación de las fuentes de energía. En este contexto se da la propuesta del proyecto ITER  de usar la fusión nuclear como fuente de energía. En el proyecto están participando siete socios: Unión Europea, Japón, Corea del Sur, Estados Unidos, India, Rusia y China. Se estima que el costo de  construcción y operación sea de 22 billones de euros siendo uno de los proyectos más caros de la historia. El proyecto comenzó su construcción  el año 2010 y hoy en día se encuentra en 70% de finalizar su construcción y poder generar el primer plasma.

Reunión de la celebración del empieza del ensamblaje.Fuente: ITER Organization.

¿Qué es la fusión nuclear?

Desde que somos niños hasta adultos, pasando por todas nuestras generaciones, en algún momento los humanos hemos quedado admirados con la belleza de las estrellas. Una pregunta se esconde tras este encanto ¿Qué hace brillar a las estrellas? La respuesta es la fusión nuclear.

Alrededor de 100 millones de años después del Big Bang se dio la primera reacción de fusión nuclear dando lugar a la formación de las estrellas. En el núcleo del sol se da esta reacción nuclear a temperaturas de 15,000,000 K. Las reacciones en el núcleo del sol son complejas y requieren muchos pasos. Sin embargo, podemos entender los fenómenos básicos que nos ayudarán a entender más sobre la fusión nuclear. A estas temperaturas extremas, los electrones de los átomos se separan del núcleo, pasando a otro estado de la materia: el plasma. En dicho estado los electrones y los núcleos se mueven independientemente. Los núcleos tienen carga positiva,por lo tanto existe una fuerza de repulsión entre los núcleos. Sin embargo, mientras más caliente se encuentren las partículas, más rápido se mueven.  A medida que las partículas  colisionan, la energía de las colisiones logra vencer esta fuerza de repulsión. Entonces, se fusionan los núcleos formando nuevos elementos.  La fusión de átomos ligeros de hidrógeno producen helio. En dicha reacción los elementos iniciales son más pesados que el resultado. Esto se representa esquemáticamente en la siguiente imagen. La diferencia en masa por la famosa ecuación de Einstein, E=mc2, se transforma en grandes cantidades de energía [4]. Este principio es el que inspira a los científicos  del ITER para satisfacer nuestras grandes demandas energéticas.

El poder de las estrellas en la palma de nuestras manos

La reacción nuclear de importancia en el ITER es la fusión del deuterio y tritio, dos isótopos del hidrógeno. Es la reacción de fusión nuclear de mayor eficiencia en el laboratorio. Sin embargo para lograrlo se requiere una temperatura de activación aproximadamente de 150,000,000 K, casi 10 veces más caliente que el núcleo del sol. Por último y más importante esta reacción da como resultado una gran cantidad de energía.

Reacción deuterio-tritio (DT) . Fuente: Wikipedia.

Esta reacción nos dice que la fusión de un núcleo de deuterio y un núcleo de tritio produce un núcleo de helio-4 con 3.56 MeV de energía cinética y un núcleo de neutrón con 14.03 MeV(aproximadamente 80% de la energía total) de energía cinética. En palabras más simples 1 gramo de deuterio y tritio en una proporción de 50/50 produce a través de la fusión nuclear tanta energía como una combustión de 8000 toneladas de petróleo [5]. ¿Cómo aprovechar esta cantidad de energía producto de la reacción  deuterio tritio (DT)? Tokamak (acrónimo del ruso toroidalnya kamera ee magnetnaya katushka – cámara toroidal de bobinas magnéticas) es el instrumento de mayor importancia dentro del ITER.  En ella se realizará la reacción de fusión nuclear, el cual confina el plasma con campos magnéticos gigantes en una región toroidal. Los núcleos de helio cargados positivamente estarán sujetos al campo magnético. Sin embargo, los neutrones, que no tienen carga y llevan aproximadamente el 80% de la energía, no son afectados por los campos magnéticos. La energía cinética de los neutrones por lo tanto es absorbida por las paredes del tokamak en forma de calor. De esta manera se logra aprovechar la gran cantidad de energía. Según ITER el combustible de hidrógeno del tamaño de una piña puede producir tanta energía de fusión como 10 000 toneladas de carbón [6].

 

ITER Tokamak. Fuente: ITER Organization.

Más allá del ITER

Es importante señalar que el ITER no tiene como objetivo ser una planta de energía a nivel comercial. Es decir este proyecto no abastecerá de energía a ninguna ciudad. El proyecto ITER  tiene como finalidad probar que es posible generar energía de fusión nuclear. Además el ITER promete que esta reacción tendrá un factor Q=10 .En otras palabras se generan  500 MW de energía térmica por 50 MW de energía suministrada [7]. Es una fuente energética con una eficiencia mayor que los derivados del petróleo, además no tiene desechos contaminantes  para el medio ambiente. A diferencia de la fusión nuclear no representan peligro radioactivo ni  explosivo. El deuterio, uno de los combustibles de la reacción junto con el tritio, es un isótopo del hidrógeno presente en el mar. El tritio aunque es escaso en el planeta se puede conseguir a partir del litio, elemento abundante en la  corteza terrestre. Es decir, la fusión nuclear nos brindaría energía limpia y casi inagotable. Sin embargo, hay muchos pasos que todavía se deben pasar para llegar a esta meta, el proyecto ITER es el primero.  DEMO (DEMOstration Power Station) es una reactor de fusión nuclear propuesto por una alianza de la  Asociación de Fusión Euratom-UKAEA. Este proyecto servirá como paso intermedio entre ITER y una primera planta de reacción de fusión nuclear comercial. DEMO será el primer prototipo de una planta a nivel comercial. Para el año 2025 se tiene programada la culminación del proyecto ITER los cuales brindarán años de investigación en la fusión nuclear. En el siguiente mapa se muestra el programa para conseguir plantas de fusión nuclear comercial. EUROfusion nos indica que no tendremos la primera planta de fusión nuclear hasta 2060.

Mapa del programa para conseguir la fusión nuclear. Fuente:EUROfusion.

Por último, si bien es cierto que se conoce mucho acerca del mecanismo de la fusión nuclear y cada vez estamos más cerca de su realización, la forma en la que cambiará nuestra sociedad es incalculable. La historia de la humanidad es una historia de conflictos, muchos de ellos por recursos escasos. Hace algunos siglos los hombres iban a la guerra por la sal, un compuesto que hoy en día es tan común en nuestra sociedad. En la actualidad nuestra sociedad ha sido marcada por eventos producto del constante conflicto por derivados fósiles. Imaginar una sociedad con energía ilimitada es algo impensable hoy en día.

Bibliografía

  1. Stacey, W. (2010). The quest for a fusion energy reactor:  an insider              account of the INTOR Workshop. Oxford University Press on Demand
  2. P. Z. Grossman. U.S. Energy Policy and the Pursuit of Failure. Cambridge University Press (2013).
  3. International Energy Agency. Key World Energy Statistics 2019. Paris, France: IEA.
  4. What is Fusion? [internet][citado 25 de Agosto de 2020]. ITER Organization. Recuperado de: www.iter.org
  5. Claessens, Michel. ITER: Giant Fusion Reactor. 2020. Springer
  6. Europe’s investment in the ITER fusion project: mastering the power of the sun and the stars[internet][citado 25 de Agosto de 2020].European Union official website. Recuperado de: www.ec.europa.eu/info/news/looking-back-europes-contribution-iter-over-last-ten-years-2018-apr-12_en
  7. Facts & Figures ? [internet][citado 25 de Agosto de 2020]. ITER Organization. Recuperado de: www.iter.org

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