ENERG

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ENERGÍA NUCLEAR DE FUSIÓN
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ENERGÍA NUCLEAR DE FUSIÓNOrigen (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
• Emc2.
• 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.

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ENERGÍA NUCLEAR DE FUSIÓNOrigen (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 (gt100
  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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ENERGÍA NUCLEAR DE FUSIÓNOrigen (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.

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ENERGÍA NUCLEAR DE FUSIÓNOrigen (4)

• La reacción Deuterio-Deuterio es más difícil de
  conseguir.
• En esta se produce helio y un neutrón, o también,
  tritio y un protón.

• También

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ENERGÍA NUCLEAR DE FUSIÓNOrigen (5)

• La reacción Deuterio-tritio reacción y la
  reacción Deuterio-Deuterio

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ENERGÍA NUCLEAR DE FUSIÓNPotencial 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

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ENERGÍA NUCLEAR DE FUSIÓNFormas 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.

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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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ENERGÍA NUCLEAR DE FUSIÓN 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)

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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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ENERGÍA NUCLEAR DE FUSIÓN Tecnología de la
energía de fusión (4)

• Calentador de plasma.

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ENERGÍA NUCLEAR DE FUSIÓN Tecnología de la
energía de fusión (5)
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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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ENERGÍA NUCLEAR DE FUSIÓN Tecnología de la
energía de fusión (7)
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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

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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)

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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)

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ENERGÍA NUCLEAR DE FUSIÓN Perspectivas (4)
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ENERGÍA NUCLEAR DE FUSIÓN Perspectivas (5)
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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.

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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.

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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.