Energia de fusió

El Sol és un reactor de fusió natural.

L'energia de fusió és l'energia alliberada en realitzar-se una reacció de fusió nuclear. En aquest tipus de reacció, dos nuclis atòmics lleugers es fusionen per forma un nucli més pesant, de manera que s'allibera una gran quantitat d'energia. Aquest procés ocorre de manera natural en el Sol, i ha estat imitat artificialment per l'home en la bomba d'hidrogen, on l'energia alliberada provoca una forta explosió. S'espera que en el futur la reacció de fusió nuclear pugui usar-se per a produir energia elèctrica en un hipotètic reactor de fusió nuclear, on la fusió ocorreria de manera controlada.

La majoria d'estudis existents per al disseny d'una central nuclear de fusió fan servir les reaccions de fusió per a generar calor, que farà funcionar una turbina de vapor que al seu torn activarà els generadors per a produir electricitat, com passa actualment en les centrals tèrmiques, que fan servir combustibles fòssils, o en les centrals nuclears de fissió. En cas que s'aconsegueixi tindrà grans avantatges econòmics i ambientals, ja que per a la producció d'una certa quantitat d'energia caldrà una petita quantitat de combustible, i a més la radioactivitat resultant en els residus de la fusió serà comparativament molt baixa respecte a la de les centrals de fissió.

Origen de l'energia

Esquema de la fusió de deuteri i triti.

Al nucli del Sol, on les temperatures arriben als quinze milions de graus Celsius, els àtoms d'hidrogen es troben en estat de plasma, això és, totalment o parcialment ionitzats, amb electrons i nuclis lliures. A mesura que xoquen a velocitats molt elevades, la repulsió electrostàtica natural que existeix entre les càrregues positives dels seus nuclis se supera i els àtoms es fusionen. La fusió d'àtoms d'hidrogen lleugers produeix un element més pesant, l'heli. La massa de l'àtom d'heli resultant no és la suma exacta dels àtoms inicials, però: s'ha perdut massa i s'han guanyat grans quantitats d'energia en forma d'energia cinètica. Això és el que descriu la famosa fórmula d'Einstein E=mc²: la petita quantitat de massa perduda (m), multiplicada pel quadrat de la velocitat de la llum (c²), dóna com a resultat una xifra molt gran (E), que és la quantitat d'energia creada per una reacció de fusió. Cada segon, el nostre Sol converteix 600 milions de tones d'hidrogen en heli, alliberant una enorme quantitat d'energia. Però sense el benefici de les forces gravitacionals que actuen al nostre univers, aconseguir la fusió a la Terra ha requerit un enfocament diferent.

La ciència de la fusió del segle xx va identificar la reacció de fusió més eficient en l'entorn de laboratori com la reacció entre dos isòtops d'hidrogen (H), el deuteri (D) i el triti (T). La quantitat d'energia que es produeix en la reacció d'un nucli de deuteri amb un de triti és de 17,6 MeV, o 2,82 × 10^–12 J. Una quantitat d'energia molt alta ja que correspon a la fusió de només dos àtoms. Per adonar-se de la magnitud es pot expressar per unitat de massa. Així l'energia és de 3,34 × 10¹¹ J/g o 334 GJ/g.

$${}_{1}^{2}\mathrm {D} +{}_{1}^{3}\mathrm {T} \longrightarrow {}_{2}^{4}\mathrm {He} +{}_{0}^{1}\mathrm {n} +17,6\,\mathrm {MeV}$$

El primer dispositiu tokamak del món: el Tokamak T1 rus a l'Institut Kurtxàtov de Moscou. En el seu recipient de buit de coure es produïen plasmes d'un volum d'uns 0,4 metres cúbics.

La reacció de fusió DT produeix el guany d'energia més alt a les temperatures "més baixes". No obstant això, requereix temperatures de cent cinquanta milions de graus Celsius, deu vegades més altes que la reacció d'hidrogen que es produeix al Sol.

Història

Després dels primers experiments de fusió a la dècada del 1930, es van establir laboratoris de física de fusió a gairebé totes les nacions industrialitzades. A mitjans de la dècada del 1950, les "màquines de fusió" ja funcionaven a la Unió Soviètica, el Regne Unit, els Estats Units, França, Alemanya i el Japó. A través d'experiments amb aquestes màquines, la comprensió dels científics sobre el procés de fusió es va anar refinant gradualment. Els primers dispositius de mida petita (dècades del 1950-1970) eren dispositius bàsics sense sistemes de control ni tecnologia sofisticats, però van demostrar que es podien generar plasmes d'alta temperatura i que es podia confinar l'energia. Durant aquests primers experiments es van descobrir nous fenòmens del plasma, com ara el transport anòmal, les inestabilitats i les interrupcions. Les lleis d'escalat indicaven que el confinament d'energia es podia augmentar en dispositius més grans amb camps magnètics més alts. Un gran avenç es va produir el 1968 a la Unió Soviètica. Els investigadors van poder aconseguir nivells de temperatura i temps de confinament del plasma (dos dels principals criteris per aconseguir la fusió) que mai s'havien assolit abans. La màquina soviètica era un dispositiu de confinament magnètic en forma de dònut anomenat tokamak inventat en la dècada de 1950 per Ígor Tamm (1895-1971) i Andrei Sàkharov (1921-1989). A partir d'aquest moment, la configuració tokamak es convertiria en el concepte dominant en la investigació de la fusió, i els dispositius tokamak es van multiplicar arreu del món. L’any 2010 s’inicià a Cadarache (França) la construcció d’un tokamak de grans dimensions que constituïa l’element central del projecte ITER —‘camí’ en llatí i acrònim d'International Thermonuclear Experimental Reactor (Reactor Experimental Termonuclear Internacional)—, i que hom preveia finalitzar cap al 2020.

Vista escorxada d'un tokamak: 1) Bobines de camp poloïdal intern (circuit primari del transformador); 2) Corrent elèctric de plasma (circuit de transformador secundari); 3) Bobines de camp toroïdal; 4) Camp magnètic toroidal; 5) Bobines de camp poloïdal exterior (per al posicionament i la conformació del plasma); 6) Camp magnètic poloidal; i 7) Camp magnètic helicoïdal resultant.

Tipus de tecnologies

Fusió de confinament magnètic

Tokamak

Un reactor de confinament magnètic consta de plasma deuteri-triti escalfat a temperatures de fusió confinat per un camp magnètic. Vist que el combustible està en forma de plasma els camps magnètics són ideals per controlar-lo. Això és així perquè es troben ionitzats, la seva càrrega electrica fa que segueixin les línies del camp magnètic. D'aquesta manera el plasma no entra en contacte amb les parets del reactor, cosa que dissiparia la calor i no es podrien assolir les temperatures necessàries. La forma més efectiva pel confinament magnètic és una forma toroidal ja que el camp magnètic fa un circuit tancat. Hi han uns quants d'aquests dispositius construïts anomenats Tokamak —acrònim rus que significa ‘cambra toroïdal amb bobines magnètiques’—. Un tokamak és un recipient en forma de toroide amb parets blindades que pot confinar un plasma calent sota alt buit. Ho fa mitjançant una combinació de camps magnètics per guiar partícules carregades elèctricament: els camps "toroidals" i "poloidals". La seva combinació crea un camp total que gira al voltant del tor en una hèlix suau. El camp poloidal es genera per un corrent toroidal al plasma, que es produeix per un transformador que indueix un corrent en la direcció toroidal. Al Joint European Torus , JET, aquest corrent va arribar als 7 MA i arribarà als 15 MA a l'ITER. El camp magnètic toroïdal és proporcionat per bobines externes enrotllades poloidalment i normalment és 10 vegades més fort que el component poloidal.

El plasma necessita ser escalfat a uns 10 milions de graus Celsius, temperatura semblant a la del nucli del Sol. Per escalfar el plasma es necessiten sistemes d'escalfament auxiliars per mantenir la reacció. La majoria d'energia alliberada en la reacció és en forma d'energia cinètica en un neutró que s'allibera a la reacció. Com el neutró no té càrrega no està influenciat pel camp magnètic cosa que farà que xoqui contra la paret del reactor transferint l'energia en forma de calor. Aquesta calor es pot capturar amb aigua que actua com a refrigerant per després utilitzar l'aigua calenta per generar vapor i accionar turbines com en qualsevol central elèctrica.

Interior de la cambra del tokamak WEST francès.

Stellarator

El reactor estel·laro stellarator és un reactor experimental per fusió per confinament magnètic. El camp magnètic que ha de confinar el plasma requereix una component toroidal i una altra poloidal per a evitar els efectes de deriva magnètica, que apareixen principalment per l'existència d'un gradient transversal de camp magnètic i per la curvatura de les línies de camp. És precisament en la forma de crear aquest camp poloidal en què es diferencien el tokamak i el stellarator: mentre el primer ho fa utilitzant el mateix plasma com a conductor, el stellarator ho fa mitjançant bobines exteriors helicoidals i/o fent girar el plasma al voltant d'una bobina central circumferencial. Aquesta màquina és més costosa de fabricar, ja que cal fabricar les bobines helicoidals, però dota el plasma de més estabilitat, ja que el confinament no depèn del plasma. Espanya, en la seva línia d'investigació sobre fusió i física del plasma té un stellarator, el TJ-II, dels més avançats del món, que es troba en el CIEMAT, a Madrid.

Fusió de confinament inercial

Per iniciar la reacció en els reactors de confinament d'inèrcia s'utilitzen uns làsers centrats en una pastilla de combustible (deuteri-triti) per escalfar la part més externa de la pastilla fent que exploti aquesta part comprimint la resta de la pastilla. Aquest procés fa que es produeixin ones de xoc, amb suficients ones de xoc comprimeixen la resta del combustible fent que inici una reacció de fusió en cadena (ignició) des del centre cap en fora.

Fusió d'objectiu magnetitzat

La fusió d'objectiu magnetitzat s'assoleix amb una combinació del confinament magnètic i el confinament d'inèrcia. Iniciant l'ignició amb l'escalfament de compressió proveït pels làsers com en el confinament d'inèrcia. I transportant el plasma amb un camp magnètic com en el confinament magnètic. Aquesta combinació fa que es trigui menys a iniciar l'ignició que en els de confinament magnètic i es pot obtenir fusió per més temps que amb el confinament d'inèrcia. Per això es pot fer amb velocitats de compressió i menys temps de confinament.

Registres

Els registres de fusió continuen avançant:

Registres

Domini	Curs	Grava	Dispositiu	Notes
Temperatura del plasma	2012	1,8×109 K	Focus-Fusion 1
Poder de fusió	1997	1,6×107 W	JET
Energia de fusió Tokamak	2022	5,9×107 J	JET	Més energia global que el rècord de 1997, però menys potència, ja que es va centrar en la durada sostinguda
Energia de fusió ICF	2021	1,3×106 J	National Ignition Facility
Velocitat de tir ICF	2013	3 milions de trets durant 3 setmanes	El Naval Research Laboratory ho va demostrar amb un sistema làser basat en gas.
Pressió plasmàtica	2016	2,05 atm	Alcator C-Mod
Criteri Lawson	2013	1,53×1024 eV·s/m3	JT-60.
Factor de guany d'energia de fusió Q	1997	0,69	Joint European Torus (JET)	16 MW de potència en comparació amb els 23 MW de calefacció per plasma.
Temps de confinament (configuració de camp invertit)	2016	300 ms	Configuració inversa del camp de Princeton	No es va observar fusió.
Temps de confinament (stellarator)	2019	100 s	Wendelstein 7-X
Temps de confinament (tokamak)	2022	17 min	EAST
Temps de confinament x temperatura (tokamak)	2021	1,2×1010 K·s	EAST
Beta	1998	0,4	Small Tight Aspect Ratio Tokamak
Temperatura (tokamak esfèric compacte)	2022	1×108 K	Tokamak Energy
Temperatura x temps (tokamak)	2021	3×109 K·s	KSTAR

Vegeu també

• Economia de baix carboni

Bibliografia

• Baheti, Prashant Prakashchandra. Evaluating a Software Engineering Knowledge Base, 2003. 
• Clery, Daniel. A Piece of the Sun: The Quest for Fusion Energy. The Overlook Press, 29 juliol 2014, p. 1–. ISBN 978-1-4683-1041-2. 
• Dean, Stephen O. Search for the Ultimate Energy Source: A History of the U.S. Fusion Energy Program. Springer Science & Business Media, 5 gener 2013. ISBN 978-1-4614-6037-4. 
• World Nuclear Association. Autor Desconegut, Juliol 2020. Nuclear Fusion Power
• Making it work ITER.
• Què és la fusió nuclear?. Oriol Planas, 20 octubre 2019.

Enllaços externs

• ITER
• FIRE