Reactores termonucleares: ¿tienen futuro? ¿Quién está construyendo un reactor termonuclear? ¿Por qué tardó tanto en crear instalaciones termonucleares?

Por mucho tiempo trudnopisaka Me pidió que hiciera un post sobre el reactor termonuclear en construcción. Descubra detalles interesantes de la tecnología, descubra por qué este proyecto está tardando tanto en implementarse. Por fin he recogido el material. Conozcamos los detalles del proyecto.

¿Cómo comenzó todo? El “desafío energético” surgió como resultado de una combinación de los siguientes tres factores:

1. La humanidad consume actualmente una enorme cantidad de energía.

Actualmente, el consumo de energía mundial es de unos 15,7 teravatios (TW). Al dividir este valor por la población mundial, obtenemos aproximadamente 2400 vatios por persona, que pueden estimarse y visualizarse fácilmente. La energía consumida por cada habitante de la Tierra (incluidos los niños) corresponde al funcionamiento las 24 horas del día de 24 lámparas eléctricas de cien vatios. Sin embargo, el consumo de esta energía en todo el planeta es muy desigual, siendo muy elevado en varios países e insignificante en otros. El consumo (por persona) es igual a 10,3 kW en EE. UU. (uno de los valores récord), 6,3 kW en la Federación de Rusia, 5,1 kW en el Reino Unido, etc., pero, por otro lado, es igual sólo 0,21 kW en Bangladesh (¡sólo el 2% del consumo de energía de Estados Unidos!).

Según las previsiones de la Agencia Internacional de la Energía (2006), el consumo mundial de energía debería aumentar un 50% de aquí a 2030. Por supuesto, los países desarrollados podrían funcionar bien sin energía adicional, pero este crecimiento es necesario para sacar a la gente de la pobreza en los países en desarrollo, donde 1.500 millones de personas sufren graves cortes de energía.

3. Actualmente, el 80% de la energía mundial proviene de la quema de combustibles fósiles(petróleo, carbón y gas), cuyo uso:
a) potencialmente plantea un riesgo de cambios ambientales catastróficos;
b) inevitablemente debe terminar algún día.

De lo dicho se desprende claramente que ahora debemos prepararnos para el fin de la era del uso de combustibles fósiles.

Actualmente, las centrales nucleares producen la energía liberada durante las reacciones de fisión de los núcleos atómicos a gran escala. Se debe fomentar por todos los medios la creación y el desarrollo de este tipo de estaciones, pero hay que tener en cuenta que las reservas de uno de los materiales más importantes para su funcionamiento (el uranio barato) también pueden agotarse por completo en los próximos 50 años. . Las posibilidades de la energía basada en la fisión nuclear pueden (y deben) ampliarse significativamente mediante el uso de ciclos energéticos más eficientes, permitiendo que la cantidad de energía producida casi se duplique. Para desarrollar energía en esta dirección, es necesario crear reactores de torio (los llamados reactores reproductores de torio o reactores reproductores), en los que la reacción produce más torio que el uranio original, como resultado de lo cual la cantidad total de energía producida. para una determinada cantidad de sustancia aumenta 40 veces. También parece prometedor crear reproductores de plutonio utilizando neutrones rápidos, que son mucho más eficientes que los reactores de uranio y pueden producir 60 veces más energía. Puede ser que para desarrollar estas áreas sea necesario desarrollar métodos nuevos y no estándar para obtener uranio (por ejemplo, del agua de mar, que parece ser el más accesible).

Plantas de energía de fusión

La figura muestra un diagrama esquemático (no a escala) del dispositivo y principio de funcionamiento de una central termonuclear. En la parte central hay una cámara toroidal (en forma de rosquilla) con un volumen de ~2000 m3, llena de plasma de tritio-deuterio (T-D) calentado a una temperatura superior a 100 M°C. Los neutrones producidos durante la reacción de fusión (1) abandonan la “botella magnética” y entran en la capa que se muestra en la figura con un espesor de aproximadamente 1 m.

Dentro de la capa, los neutrones chocan con los átomos de litio, lo que resulta en una reacción que produce tritio:

neutrón + litio → helio + tritio

Además, en el sistema se producen reacciones competitivas (sin formación de tritio), así como muchas reacciones con liberación de neutrones adicionales, que luego también conducen a la formación de tritio (en este caso, la liberación de neutrones adicionales puede ser mejorado significativamente, por ejemplo, mediante la introducción de átomos de berilio y plomo en la capa). La conclusión general es que esta instalación podría (al menos teóricamente) sufrir una reacción de fusión nuclear que produciría tritio. En este caso, la cantidad de tritio producida no sólo debería cubrir las necesidades de la propia instalación, sino también ser incluso algo mayor, lo que permitirá abastecer de tritio a nuevas instalaciones. Es este concepto operativo el que debe probarse e implementarse en el reactor ITER que se describe a continuación.

Además, los neutrones deben calentar la carcasa en las llamadas plantas piloto (en las que se utilizarán materiales de construcción relativamente "ordinarios") a aproximadamente 400°C. En el futuro está previsto crear instalaciones mejoradas con una temperatura de calentamiento de la carcasa superior a 1.000°C, lo que se puede lograr mediante el uso de los últimos materiales de alta resistencia (como los compuestos de carburo de silicio). El calor generado en la carcasa, como en las estaciones convencionales, es recogido por el circuito de refrigeración primario con un refrigerante (que contiene, por ejemplo, agua o helio) y transferido al circuito secundario, donde se produce vapor de agua y se suministra a las turbinas.

1985 – La Unión Soviética propuso la construcción de la planta Tokamak de próxima generación, aprovechando la experiencia de cuatro países líderes en la creación de reactores de fusión. Los Estados Unidos de América, junto con Japón y la Comunidad Europea, presentaron una propuesta para la implementación del proyecto.

Actualmente, en Francia se está construyendo el reactor termonuclear experimental internacional ITER (International Tokamak Experimental Reactor), que se describe a continuación, y que será el primer tokamak capaz de “encender” plasma.

Las instalaciones tokamak más avanzadas existentes alcanzan desde hace mucho tiempo temperaturas de unos 150 M°C, cercanas a los valores necesarios para el funcionamiento de una estación de fusión, pero el reactor ITER debería ser la primera central eléctrica a gran escala diseñada durante mucho tiempo. -operación a plazo. En el futuro, será necesario mejorar significativamente sus parámetros de funcionamiento, lo que requerirá, en primer lugar, aumentar la presión en el plasma, ya que la velocidad de fusión nuclear a una temperatura determinada es proporcional al cuadrado de la presión. El principal problema científico en este caso está relacionado con el hecho de que cuando aumenta la presión en el plasma surgen inestabilidades muy complejas y peligrosas, es decir, modos de funcionamiento inestables.

¿Porqué necesitamos esto?

La principal ventaja de la fusión nuclear es que sólo requiere como combustible cantidades muy pequeñas de sustancias muy comunes en la naturaleza. La reacción de fusión nuclear en las instalaciones descritas puede dar lugar a la liberación de enormes cantidades de energía, diez millones de veces mayor que el calor estándar liberado durante las reacciones químicas convencionales (como la combustión de combustibles fósiles). A modo de comparación, señalamos que la cantidad de carbón necesaria para alimentar una central térmica con una capacidad de 1 gigavatio (GW) es de 10.000 toneladas por día (diez vagones de ferrocarril), y una planta de fusión de la misma potencia consumirá sólo alrededor de 1 kilogramo de la mezcla D+T al día.

El deuterio es un isótopo estable del hidrógeno; En aproximadamente una de cada 3.350 moléculas de agua ordinaria, uno de los átomos de hidrógeno es reemplazado por deuterio (un legado del Big Bang). Este hecho facilita la organización de una producción bastante económica de la cantidad necesaria de deuterio a partir del agua. Es más difícil obtener tritio, que es inestable (la vida media es de unos 12 años, por lo que su contenido en la naturaleza es insignificante), sin embargo, como se muestra arriba, el tritio aparecerá directamente dentro de la instalación termonuclear durante el funcionamiento. debido a la reacción de los neutrones con el litio.

Así, el combustible inicial para un reactor de fusión es litio y agua. El litio es un metal común muy utilizado en electrodomésticos (baterías de teléfonos móviles, etc.). La instalación descrita anteriormente, incluso teniendo en cuenta la eficiencia no ideal, podrá producir 200.000 kWh de energía eléctrica, lo que equivale a la energía contenida en 70 toneladas de carbón. La cantidad de litio necesaria para ello está contenida en una batería de ordenador y la cantidad de deuterio, en 45 litros de agua. El valor anterior corresponde al consumo actual de electricidad (calculado por persona) en los países de la UE durante 30 años. El hecho mismo de que una cantidad tan insignificante de litio pueda garantizar la generación de tal cantidad de electricidad (sin emisiones de CO2 y sin la más mínima contaminación del aire) es un argumento bastante serio a favor del desarrollo más rápido y vigoroso de la energía termonuclear (a pesar de todos los dificultades y problemas) e incluso sin confianza al cien por cien en el éxito de dicha investigación.

El deuterio debería durar millones de años, y las reservas de litio, que se pueden extraer fácilmente, son suficientes para satisfacer las necesidades durante cientos de años. Incluso si se agota el litio de las rocas, podemos extraerlo del agua, donde se encuentra en concentraciones suficientemente altas (100 veces la concentración de uranio) para que su extracción sea económicamente viable.

Se está construyendo un reactor termonuclear experimental (reactor termonuclear experimental internacional) cerca de la ciudad de Cadarache en Francia. El objetivo principal del proyecto ITER es implementar una reacción de fusión termonuclear controlada a escala industrial.

Por unidad de peso de combustible termonuclear se obtienen aproximadamente 10 millones de veces más energía que cuando se quema la misma cantidad de combustible orgánico y aproximadamente cien veces más que cuando se dividen núcleos de uranio en los reactores de las centrales nucleares actualmente en funcionamiento. Si los cálculos de los científicos y diseñadores se hacen realidad, la humanidad tendrá una fuente inagotable de energía.

Por lo tanto, varios países (Rusia, India, China, Corea, Kazajstán, EE. UU., Canadá, Japón, países de la Unión Europea) unieron fuerzas para crear el Reactor Termonuclear Internacional de Investigación, un prototipo de nuevas centrales eléctricas.

ITER es una instalación que crea las condiciones para la síntesis de átomos de hidrógeno y tritio (un isótopo de hidrógeno), lo que da como resultado la formación de un nuevo átomo: el átomo de helio. Este proceso va acompañado de una enorme explosión de energía: la temperatura del plasma en el que se produce la reacción termonuclear es de unos 150 millones de grados Celsius (a modo de comparación, la temperatura del núcleo del Sol es de 40 millones de grados). En este caso, los isótopos se queman y prácticamente no quedan residuos radiactivos.
El plan de participación en el proyecto internacional prevé el suministro de componentes del reactor y la financiación de su construcción. A cambio de esto, cada uno de los países participantes recibe pleno acceso a todas las tecnologías para la creación de un reactor termonuclear y a los resultados de todos los trabajos experimentales en este reactor, que servirán de base para el diseño de reactores termonucleares de potencia en serie.

El reactor, basado en el principio de fusión termonuclear, no emite radiación radiactiva y es completamente seguro para el medio ambiente. Puede ubicarse en casi cualquier parte del mundo y su combustible es agua corriente. Se espera que la construcción del ITER dure unos diez años, tras los cuales el reactor estará en funcionamiento durante 20 años.

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Los intereses de Rusia en el Consejo de la Organización Internacional para la Construcción del Reactor Termonuclear ITER en los próximos años estarán representados por el Miembro Correspondiente de la Academia Rusa de Ciencias Mikhail Kovalchuk - Director del Instituto Kurchatov, Instituto de Cristalografía de la Academia Rusa de Secretario Científico y de Ciencias del Consejo Presidencial de Ciencia, Tecnología y Educación. Kovalchuk sustituirá temporalmente en este cargo al académico Evgeniy Velikhov, quien fue elegido presidente del Consejo Internacional ITER para los próximos dos años y no tiene derecho a combinar este puesto con las funciones de representante oficial de un país participante.

El coste total de la construcción se estima en 5 mil millones de euros, y se necesitará la misma cantidad para la operación de prueba del reactor. Las participaciones de India, China, Corea, Rusia, EE.UU. y Japón representan cada uno aproximadamente el 10 por ciento del valor total, el 45 por ciento proviene de los países de la Unión Europea. Sin embargo, los estados europeos aún no se han puesto de acuerdo sobre cómo se distribuirán exactamente los costes entre ellos. Debido a esto, el inicio de la construcción se pospuso hasta abril de 2010. A pesar del último retraso, los científicos y funcionarios involucrados en ITER dicen que podrán completar el proyecto en 2018.

La potencia termonuclear estimada del ITER es de 500 megavatios. Las piezas magnéticas individuales alcanzan un peso de 200 a 450 toneladas. Para enfriar el ITER se necesitarán 33.000 metros cúbicos de agua al día.

En 1998, Estados Unidos dejó de financiar su participación en el proyecto. Después de que los republicanos llegaron al poder y comenzaron los apagones en California, la administración Bush anunció una mayor inversión en energía. Estados Unidos no tenía la intención de participar en el proyecto internacional y estaba involucrado en su propio proyecto termonuclear. A principios de 2002, el asesor tecnológico del presidente Bush, John Marburger III, dijo que Estados Unidos había cambiado de opinión y tenía intención de volver al proyecto.

En cuanto al número de participantes, el proyecto es comparable a otro gran proyecto científico internacional: la Estación Espacial Internacional. El coste del ITER, que antes ascendía a 8 mil millones de dólares, entonces ascendía a menos de 4 mil millones. Como consecuencia de la retirada de Estados Unidos de su participación, se decidió reducir la potencia del reactor de 1,5 GW a 500 MW. En consecuencia, el precio del proyecto también ha disminuido.

En junio de 2002 se celebró en la capital rusa el simposio “Días ITER en Moscú”. Se discutieron los problemas teóricos, prácticos y organizativos de reactivar el proyecto, cuyo éxito puede cambiar el destino de la humanidad y darle un nuevo tipo de energía, comparable en eficiencia y economía sólo a la energía del Sol.

En julio de 2010, representantes de los países participantes en el proyecto del reactor termonuclear internacional ITER aprobaron su presupuesto y calendario de construcción en una reunión extraordinaria celebrada en Cadarache, Francia. .

En la última reunión extraordinaria, los participantes del proyecto aprobaron la fecha de inicio de los primeros experimentos con plasma: 2019. Los experimentos completos están previstos para marzo de 2027, aunque la dirección del proyecto pidió a los especialistas técnicos que intentaran optimizar el proceso y comenzar los experimentos en 2026. Los participantes en la reunión también decidieron los costes de construcción del reactor, pero no se revelaron las cantidades previstas para la construcción de la instalación. Según la información recibida por el editor del portal ScienceNOW de una fuente anónima, cuando comiencen los experimentos, el coste del proyecto ITER podría alcanzar los 16 mil millones de euros.

La reunión de Cadarache marcó también la primera jornada de trabajo oficial del nuevo director del proyecto, el físico japonés Osamu Motojima. Antes que él, el proyecto lo dirigió desde 2005 el japonés Kaname Ikeda, que quiso dejar su cargo inmediatamente después de que se aprobaran el presupuesto y los plazos de construcción.

El reactor de fusión ITER es un proyecto conjunto de la Unión Europea, Suiza, Japón, Estados Unidos, Rusia, Corea del Sur, China e India. La idea de crear ITER se ha estado considerando desde los años 80 del siglo pasado, sin embargo, debido a dificultades financieras y técnicas, el costo del proyecto aumenta constantemente y la fecha de inicio de la construcción se pospone constantemente. En 2009, los expertos esperaban que los trabajos de construcción del reactor comenzarían en 2010. Posteriormente, esta fecha se trasladó y se fijó primero 2018 y luego 2019 como fecha de lanzamiento del reactor.

Las reacciones de fusión termonuclear son reacciones de fusión de núcleos de isótopos ligeros para formar un núcleo más pesado, que van acompañadas de una enorme liberación de energía. En teoría, los reactores de fusión pueden producir mucha energía a bajo coste, pero actualmente los científicos gastan mucha más energía y dinero para iniciar y mantener la reacción de fusión.

La fusión termonuclear es una forma barata y respetuosa con el medio ambiente de producir energía. En el Sol se produce desde hace miles de millones de años una fusión termonuclear incontrolada: el helio se forma a partir del isótopo pesado del hidrógeno, el deuterio. Esto libera una cantidad colosal de energía. Sin embargo, la gente en la Tierra aún no ha aprendido a controlar tales reacciones.

El reactor ITER utilizará isótopos de hidrógeno como combustible. Durante una reacción termonuclear, se libera energía cuando los átomos ligeros se combinan en otros más pesados. Para lograrlo, el gas debe calentarse a una temperatura de más de 100 millones de grados, mucho más alta que la temperatura en el centro del Sol. El gas a esta temperatura se convierte en plasma. Al mismo tiempo, los átomos de los isótopos de hidrógeno se fusionan y se convierten en átomos de helio con la liberación de una gran cantidad de neutrones. Una central eléctrica que funcione según este principio utilizará la energía de los neutrones ralentizados por una capa de material denso (litio).

¿Por qué tardó tanto en crear instalaciones termonucleares?

¿Por qué no se han creado todavía instalaciones tan importantes y valiosas, cuyos beneficios se han discutido durante casi medio siglo? Hay tres razones principales (que se analizan a continuación), la primera de las cuales puede llamarse externa o social, y las otras dos, internas, es decir, determinadas por las leyes y condiciones del desarrollo de la energía termonuclear.

1. Durante mucho tiempo se creyó que el problema del uso práctico de la energía de fusión termonuclear no requería decisiones y acciones urgentes, ya que allá por los años 80 del siglo pasado las fuentes de combustibles fósiles parecían inagotables, y los problemas ambientales y el cambio climático sí. no preocupa al público. En 1976, el Comité Asesor sobre Energía de Fusión del Departamento de Energía de Estados Unidos intentó estimar el plazo para la I+D y una planta de energía de fusión de demostración bajo varias opciones de financiación de la investigación. Al mismo tiempo, se descubrió que el volumen de financiación anual para la investigación en esta dirección es completamente insuficiente y, si se mantiene el nivel actual de créditos, la creación de instalaciones termonucleares nunca tendrá éxito, ya que los fondos asignados no corresponden. incluso hasta el nivel mínimo y crítico.

2. Un obstáculo más grave para el desarrollo de la investigación en este ámbito es que no es posible crear y demostrar en pequeña escala una instalación termonuclear del tipo que estamos examinando. De las explicaciones que se presentan a continuación, quedará claro que la fusión termonuclear requiere no sólo el confinamiento magnético del plasma, sino también un calentamiento suficiente del mismo. La proporción de energía gastada y recibida aumenta al menos en proporción al cuadrado de las dimensiones lineales de la instalación, como resultado de lo cual las capacidades y ventajas científicas y técnicas de las instalaciones termonucleares solo pueden probarse y demostrarse en estaciones bastante grandes, como como el mencionado reactor ITER. La sociedad simplemente no estaba preparada para financiar proyectos tan grandes hasta que hubiera suficiente confianza en el éxito.

3. Sin embargo, el desarrollo de la energía termonuclear ha sido muy complejo (a pesar de la financiación insuficiente y las dificultades en la selección de centros para la creación de instalaciones JET e ITER), en los últimos años se han observado claros avances, aunque todavía no se ha creado una estación operativa.

El mundo moderno se enfrenta a un desafío energético muy grave, que podría denominarse más exactamente una “crisis energética incierta”. El problema está relacionado con el hecho de que las reservas de combustibles fósiles pueden agotarse en la segunda mitad de este siglo. Además, la quema de combustibles fósiles puede resultar en la necesidad de secuestrar y “almacenar” de alguna manera el dióxido de carbono liberado a la atmósfera (el programa CAC mencionado anteriormente) para evitar cambios importantes en el clima del planeta.

Actualmente, casi toda la energía consumida por la humanidad se obtiene de la quema de combustibles fósiles, y la solución al problema puede estar asociada al uso de energía solar o nuclear (creación de reactores reproductores de neutrones rápidos, etc.). El problema global causado por la creciente población de los países en desarrollo y su necesidad de mejorar los niveles de vida y aumentar la cantidad de energía producida no puede resolverse únicamente con estos enfoques, aunque, por supuesto, cualquier intento de desarrollar métodos alternativos de producción de energía debe alentarse.

En sentido estricto, tenemos pocas opciones de estrategias de comportamiento y el desarrollo de la energía termonuclear es extremadamente importante, incluso a pesar de la falta de garantía de éxito. El periódico Financial Times (fechado el 25 de enero de 2004) escribió sobre esto:

Esperemos que no haya sorpresas importantes e inesperadas en el camino hacia el desarrollo de la energía termonuclear. En este caso, en unos 30 años podremos por primera vez suministrar corriente eléctrica a las redes energéticas, y en poco más de 10 años comenzará a funcionar la primera central termonuclear comercial. Es posible que en la segunda mitad de este siglo, la energía de fusión nuclear comience a reemplazar a los combustibles fósiles y gradualmente comience a desempeñar un papel cada vez más importante en el suministro de energía a la humanidad a escala global.

No existe una garantía absoluta de que la tarea de crear energía termonuclear (como fuente de energía eficaz y a gran escala para toda la humanidad) se complete con éxito, pero la probabilidad de éxito en esta dirección es bastante alta. Teniendo en cuenta el enorme potencial de las centrales termonucleares, todos los costos de los proyectos para su rápido (e incluso acelerado) desarrollo pueden considerarse justificados, sobre todo porque estas inversiones parecen muy modestas en el contexto del monstruoso mercado energético mundial (4 billones de dólares al año8). Satisfacer las necesidades energéticas de la humanidad es un problema muy grave. A medida que los combustibles fósiles se vuelven menos disponibles (y su uso se vuelve indeseable), la situación está cambiando y simplemente no podemos darnos el lujo de no desarrollar la energía de fusión.

A la pregunta "¿Cuándo aparecerá la energía termonuclear?" Lev Artsimovich (un reconocido pionero y líder de la investigación en este campo) respondió una vez que “se creará cuando sea verdaderamente necesario para la humanidad”.

ITER será el primer reactor de fusión que producirá más energía de la que consume. Los científicos miden esta característica utilizando un coeficiente simple que llaman "Q". Si ITER logra todos sus objetivos científicos, producirá 10 veces más energía de la que consume. El último dispositivo construido, el Joint European Torus en Inglaterra, es un prototipo de reactor de fusión más pequeño que, en sus últimas etapas de investigación científica, alcanzó un valor Q de casi 1. Esto significa que produjo exactamente la misma cantidad de energía que consumió. . ITER irá más allá demostrando la creación de energía a partir de la fusión y logrando un valor Q de 10. La idea es generar 500 MW a partir de un consumo de energía de aproximadamente 50 MW. Por tanto, uno de los objetivos científicos del ITER es demostrar que se puede alcanzar un valor Q de 10.

Otro objetivo científico es que el ITER tenga un tiempo de "combustión" muy largo: un pulso de duración prolongada de hasta una hora. ITER es un reactor experimental de investigación que no puede producir energía de forma continua. Cuando el ITER comience a funcionar, estará encendido durante una hora, después de la cual será necesario apagarlo. Esto es importante porque hasta ahora los dispositivos estándar que hemos creado eran capaces de tener un tiempo de grabación de varios segundos o incluso décimas de segundo; este es el máximo. El "Joint European Torus" alcanzó su valor Q de 1 con un tiempo de combustión de aproximadamente dos segundos y una duración de pulso de 20 segundos. Pero un proceso que dura unos segundos no es verdaderamente permanente. Por analogía con arrancar el motor de un automóvil: encender brevemente el motor y luego apagarlo aún no es un funcionamiento real del automóvil. Sólo cuando conduzca su automóvil durante media hora alcanzará un modo de funcionamiento constante y demostrará que un automóvil de este tipo realmente se puede conducir.

Es decir, desde un punto de vista técnico y científico, ITER proporcionará un valor Q de 10 y un mayor tiempo de funcionamiento.

El programa de fusión termonuclear es verdaderamente internacional y de naturaleza amplia. La gente ya cuenta con el éxito del ITER y está pensando en el siguiente paso: crear un prototipo de reactor termonuclear industrial llamado DEMO. Para construirlo, ITER necesita funcionar. Debemos alcanzar nuestros objetivos científicos porque esto significará que las ideas que proponemos sean totalmente factibles. Sin embargo, estoy de acuerdo en que siempre debes pensar en lo que viene después. Además, a medida que el ITER funcione durante 25 o 30 años, nuestro conocimiento se profundizará y ampliará gradualmente, y podremos delinear con mayor precisión nuestro próximo paso.

De hecho, no hay debate sobre si el ITER debería ser un tokamak. Algunos científicos plantean la pregunta de manera muy diferente: ¿debería existir el ITER? Los expertos de diferentes países, que desarrollan sus propios proyectos termonucleares a menor escala, argumentan que un reactor tan grande no es necesario en absoluto.

Sin embargo, su opinión difícilmente debería considerarse autorizada. En la creación del ITER participaron físicos que han trabajado con trampas toroidales durante varias décadas. El diseño del reactor termonuclear experimental en Karadash se basó en todos los conocimientos adquiridos durante los experimentos con decenas de tokamaks predecesores. Y estos resultados indican que el reactor debe ser un tokamak, y además, grande.

JET Actualmente, el tokamak de mayor éxito es el JET, construido por la UE en la ciudad británica de Abingdon. Este es el reactor tipo tokamak más grande creado hasta la fecha, el gran radio del toro de plasma es de 2,96 metros. La potencia de la reacción termonuclear ya ha alcanzado más de 20 megavatios con un tiempo de retención de hasta 10 segundos. El reactor devuelve aproximadamente el 40% de la energía introducida en el plasma.

Es la física del plasma la que determina el equilibrio energético”, dijo Ígor Semenov a Infox.ru. El profesor asociado del MIPT describió qué es el equilibrio energético con un ejemplo sencillo: “Todos hemos visto un incendio. De hecho, allí no arde madera, sino gas. La cadena energética allí es así: el gas arde, la madera se calienta, la madera se evapora, el gas vuelve a arder. Por lo tanto, si arrojamos agua al fuego, de repente tomaremos energía del sistema para la transición de fase del agua líquida al estado de vapor. El saldo se volverá negativo y el fuego se apagará. Hay otra manera: simplemente podemos tomar los tizones y esparcirlos en el espacio. El fuego también se apagará. Lo mismo ocurre con el reactor termonuclear que estamos construyendo. Las dimensiones se eligen para crear un equilibrio energético positivo apropiado para este reactor. Suficiente para construir en el futuro una verdadera central nuclear, resolviendo en esta etapa experimental todos los problemas que actualmente siguen sin resolver”.

Las dimensiones del reactor se cambiaron una vez. Esto sucedió a principios de los siglos XX y XXI, cuando Estados Unidos se retiró del proyecto y los miembros restantes se dieron cuenta de que el presupuesto del ITER (en ese momento se estimaba en 10 mil millones de dólares estadounidenses) era demasiado grande. Se requirió que físicos e ingenieros redujeran el costo de instalación. Y esto sólo se podía hacer por cuestión de tamaño. El "rediseño" del ITER estuvo dirigido por el físico francés Robert Aymar, que anteriormente trabajó en el tokamak francés Tore Supra en Karadash. El radio exterior del toro de plasma se ha reducido de 8,2 a 6,3 metros. Sin embargo, los riesgos asociados con la reducción de tamaño fueron compensados ​​en parte por varios imanes superconductores adicionales, que permitieron implementar el modo de confinamiento de plasma, que estaba abierto y estudiado en ese momento.

fuente
http://ehorrussia.com
http://oko-planet.su

La segunda mitad del siglo XX fue un período de rápido desarrollo de la física nuclear. Quedó claro que las reacciones nucleares podían utilizarse para producir enormes energías a partir de pequeñas cantidades de combustible. Sólo pasaron nueve años desde la explosión de la primera bomba nuclear hasta la primera central nuclear, y cuando se probó una bomba de hidrógeno en 1952, se predijo que las centrales termonucleares entrarían en funcionamiento en los años sesenta. Desgraciadamente, estas esperanzas no se hicieron realidad.

Reacciones termonucleares De todas las reacciones termonucleares, solo cuatro son de interés en el futuro próximo: deuterio + deuterio (productos: tritio y protón, energía liberada 4,0 MeV), deuterio + deuterio (helio-3 y neutrones, 3,3 MeV), deuterio + tritio (helio-4 y neutrones, 17,6 MeV) y deuterio + helio-3 (helio-4 y protones, 18,2 MeV). La primera y la segunda reacción ocurren en paralelo con igual probabilidad. El tritio y el helio-3 resultantes se "queman" en la tercera y cuarta reacciones.

La principal fuente de energía para la humanidad hoy es la combustión de carbón, petróleo y gas. Pero su suministro es limitado y los productos de la combustión contaminan el medio ambiente. ¡Una central de carbón produce más emisiones radiactivas que una central nuclear de la misma potencia! Entonces, ¿por qué no hemos pasado todavía a fuentes de energía nuclear? Hay muchas razones para esto, pero la principal recientemente ha sido la radiofobia. A pesar de que una central eléctrica de carbón, incluso durante su funcionamiento normal, daña la salud de muchas más personas que las emisiones de emergencia de una central nuclear, lo hace de forma silenciosa y desapercibida para el público. Los accidentes en las centrales nucleares se convierten inmediatamente en la principal noticia en los medios de comunicación, provocando un pánico generalizado (a menudo completamente infundado). Sin embargo, esto no significa que la energía nuclear no tenga problemas objetivos. Los residuos radiactivos causan muchos problemas: las tecnologías para trabajar con ellos siguen siendo extremadamente caras y aún está lejos la situación ideal en la que todos ellos puedan reciclarse y utilizarse por completo.

De todas las reacciones termonucleares, solo cuatro son de interés en el futuro próximo: deuterio + deuterio (productos: tritio y protón, energía liberada 4,0 MeV), deuterio + deuterio (helio-3 y neutrones, 3,3 MeV), deuterio + tritio ( helio-4 y neutrón, 17,6 MeV) y deuterio + helio-3 (helio-4 y protón, 18,2 MeV). La primera y la segunda reacción ocurren en paralelo con igual probabilidad. El tritio y el helio-3 resultantes se "queman" en la tercera y cuarta reacciones.

De la fisión a la fusión

Una posible solución a estos problemas es la transición de los reactores de fisión a los reactores de fusión. Mientras que un reactor de fisión típico contiene decenas de toneladas de combustible radiactivo, que se convierten en decenas de toneladas de desechos radiactivos que contienen una amplia variedad de isótopos radiactivos, un reactor de fusión utiliza sólo cientos de gramos, como máximo kilogramos, de un isótopo radiactivo de hidrógeno, tritio. Además de que la reacción requiere una cantidad insignificante de este isótopo radiactivo menos peligroso, también está previsto que su producción se realice directamente en la central eléctrica para minimizar los riesgos asociados al transporte. Los productos de síntesis son hidrógeno y helio estables (no radiactivos) y no tóxicos. Además, a diferencia de una reacción de fisión, una reacción termonuclear se detiene inmediatamente cuando se destruye la instalación, sin crear peligro de explosión térmica. Entonces, ¿por qué no se ha construido todavía ni una sola central termonuclear operativa? La razón es que las ventajas enumeradas conllevan inevitablemente desventajas: crear las condiciones para la síntesis resultó ser mucho más difícil de lo que se esperaba inicialmente.

criterio de lawson

Para que una reacción termonuclear sea energéticamente favorable, es necesario garantizar una temperatura suficientemente alta del combustible termonuclear, una densidad suficientemente alta y pérdidas de energía suficientemente bajas. Estos últimos se caracterizan numéricamente por el llamado “tiempo de retención”, que es igual a la relación entre la energía térmica almacenada en el plasma y la energía perdida (muchas personas creen erróneamente que el “tiempo de retención” es el tiempo durante el cual se mantiene plasma caliente en la instalación, pero esto no es así). A una temperatura de una mezcla de deuterio y tritio igual a 10 keV (aproximadamente 110.000.000 grados), necesitamos obtener el producto del número de partículas de combustible en 1 cm 3 (es decir, la concentración en plasma) y el tiempo de retención (en segundos). de al menos 10 14. No importa si tenemos un plasma con una concentración de 1014 cm -3 y un tiempo de retención de 1 s, o un plasma con una concentración de 10 23 y un tiempo de retención de 1 ns. Este criterio se llama criterio de Lawson.
Además del criterio de Lawson, que se encarga de obtener una reacción energéticamente favorable, también existe el criterio de ignición del plasma, que para la reacción deuterio-tritio es aproximadamente tres veces mayor que el criterio de Lawson. "Ignición" significa que la fracción de energía termonuclear que queda en el plasma será suficiente para mantener la temperatura requerida y ya no será necesario calentar adicionalmente el plasma.

pellizco en Z

El primer dispositivo con el que se planeó obtener una reacción termonuclear controlada fue el llamado Z-pinch. En el caso más sencillo, esta instalación consta únicamente de dos electrodos situados en un ambiente de deuterio (hidrógeno-2) o una mezcla de deuterio y tritio, y una batería de condensadores de impulsos de alto voltaje. A primera vista, parece que permite obtener plasma comprimido calentado a temperaturas enormes: ¡exactamente lo que se necesita para una reacción termonuclear! Sin embargo, en la vida todo resultó, por desgracia, estar lejos de ser tan color de rosa. La cuerda de plasma resultó ser inestable: la más mínima curvatura provoca un fortalecimiento del campo magnético en un lado y un debilitamiento en el otro. Las fuerzas resultantes aumentan aún más la flexión de la cuerda, y todo el plasma "cae" sobre ella; la pared lateral de la cámara. La cuerda no solo es inestable a la flexión, sino que el más mínimo adelgazamiento de la misma provoca un aumento del campo magnético en esta parte, lo que comprime aún más el plasma, comprimiéndolo en el volumen restante de la cuerda hasta que la cuerda finalmente "exprime". .” La parte comprimida tiene una alta resistencia eléctrica, por lo que la corriente se interrumpe, el campo magnético desaparece y todo el plasma se disipa.

El principio de funcionamiento del Z-pinch es simple: una corriente eléctrica genera un campo magnético anular, que interactúa con la misma corriente y la comprime. Como resultado, aumenta la densidad y la temperatura del plasma a través del cual fluye la corriente.

Fue posible estabilizar el haz de plasma aplicándole un potente campo magnético externo, paralelo a la corriente, y colocándolo en una carcasa conductora gruesa (a medida que se mueve el plasma, también se mueve el campo magnético, lo que induce una corriente eléctrica en el carcasa, tendiendo a devolver el plasma a su lugar). El plasma dejó de doblarse y pellizcarse, pero todavía estaba lejos de ser una reacción termonuclear a gran escala: el plasma toca los electrodos y les desprende calor.

El trabajo moderno en el campo de la fusión Z-pinch sugiere otro principio para crear plasma de fusión: una corriente fluye a través de un tubo de plasma de tungsteno, lo que crea potentes rayos X que comprimen y calientan la cápsula con combustible de fusión ubicado dentro del tubo de plasma, de la misma manera que lo hace en una bomba termonuclear. Sin embargo, estos trabajos son puramente de investigación (se estudian los mecanismos de funcionamiento de las armas nucleares), y la liberación de energía en este proceso sigue siendo millones de veces menor que el consumo.

Cuanto menor sea la relación entre el radio grande del toro tokamak (la distancia desde el centro de todo el toro hasta el centro de la sección transversal de su tubería) y el pequeño (el radio de la sección transversal de la tubería), más mayor puede ser la presión del plasma bajo el mismo campo magnético. Al reducir esta relación, los científicos pasaron de una sección transversal circular de la cámara de plasma y vacío a una en forma de D (en este caso, el papel del radio pequeño lo desempeña la mitad de la altura de la sección transversal). Todos los tokamaks modernos tienen exactamente esta forma de sección transversal. El caso límite fue el llamado “tokamak esférico”. En tales tokamaks, la cámara de vacío y el plasma tienen una forma casi esférica, con la excepción de un canal estrecho que conecta los polos de la esfera. Los conductores de bobinas magnéticas pasan por el canal. El primer tokamak esférico, START, apareció recién en 1991, por lo que se trata de una dirección bastante joven, pero ya ha demostrado la posibilidad de obtener la misma presión de plasma con un campo magnético tres veces menor.

Corktron, stellarator, tokamak

Otra opción para crear las condiciones necesarias para la reacción son las llamadas trampas magnéticas abiertas. El más famoso de ellos es la “celda de corcho”: un tubo con un campo magnético longitudinal que se fortalece en sus extremos y se debilita en el medio. El campo aumentado en los extremos crea un "enchufe magnético" (de ahí el nombre ruso) o "espejo magnético" (inglés - máquina de espejos), que evita que el plasma salga de la instalación por los extremos. Sin embargo, dicha retención es incompleta; algunas partículas cargadas que se mueven a lo largo de determinadas trayectorias pueden atravesar estos atascos. Y como resultado de las colisiones, cualquier partícula tarde o temprano caerá en esa trayectoria. Además, el plasma en la cámara del espejo también resultó inestable: si en algún lugar una pequeña sección del plasma se aleja del eje de la instalación, surgen fuerzas que expulsan el plasma hacia la pared de la cámara. Aunque la idea básica de la celda espejo se mejoró significativamente (lo que permitió reducir tanto la inestabilidad del plasma como la permeabilidad de los espejos), en la práctica ni siquiera fue posible acercarse a los parámetros necesarios para una síntesis energéticamente favorable. .

¿Es posible asegurarse de que el plasma no se escape por los “tapones”? Parecería que la solución obvia es hacer rodar el plasma formando un anillo. Sin embargo, entonces el campo magnético dentro del anillo es más fuerte que en el exterior y el plasma tiende nuevamente a ir a la pared de la cámara. La salida a esta difícil situación también parecía bastante obvia: en lugar de un anillo, haga una “figura de ocho”, luego en una sección la partícula se alejará del eje de la instalación y en otra regresará. Así fue como a los científicos se les ocurrió la idea del primer stellarator. Pero tal "figura de ocho" no se puede hacer en un solo plano, por lo que tuvimos que utilizar la tercera dimensión, doblando el campo magnético en la segunda dirección, lo que también provocó un movimiento gradual de las partículas desde el eje hasta la pared de la cámara. .

La situación cambió drásticamente con la creación de instalaciones tipo tokamak. Los resultados obtenidos en el tokamak T-3 en la segunda mitad de la década de 1960 fueron tan sorprendentes para esa época que los científicos occidentales llegaron a la URSS con sus equipos de medición para verificar ellos mismos los parámetros del plasma. La realidad incluso superó sus expectativas.

Estos tubos fantásticamente entrelazados no son un proyecto de arte, sino una cámara estelar doblada en una compleja curva tridimensional.

En manos de la inercia

Además del confinamiento magnético, existe un enfoque fundamentalmente diferente para la fusión termonuclear: el confinamiento inercial. Si en el primer caso intentamos mantener el plasma en una concentración muy baja durante mucho tiempo (la concentración de moléculas en el aire que te rodea es cientos de miles de veces mayor), en el segundo caso comprimimos el plasma a una enorme densidad, un orden de magnitud mayor que la densidad de los metales más pesados, con la expectativa de que la reacción tenga tiempo de pasar en ese corto tiempo antes de que el plasma tenga tiempo de dispersarse hacia los lados.

Originalmente, en la década de 1960, el plan era utilizar una pequeña bola de combustible de fusión congelado, irradiada uniformemente desde todos los lados por múltiples rayos láser. La superficie de la bola debería evaporarse instantáneamente y, expandiéndose uniformemente en todas direcciones, comprimir y calentar la parte restante del combustible. Sin embargo, en la práctica la irradiación resultó insuficientemente uniforme. Además, parte de la energía de la radiación se transfirió a las capas internas, provocando que se calentaran, lo que dificultaba la compresión. Como resultado, la pelota se comprimió de manera desigual y débil.

Hay varias configuraciones de estelaradores modernas, todas ellas cercanas a un toroide. Una de las configuraciones más comunes implica el uso de bobinas similares a las bobinas de campo poloidal de los tokamaks y de cuatro a seis conductores trenzados alrededor de una cámara de vacío con corriente multidireccional. El complejo campo magnético creado de esta manera permite contener el plasma de forma segura sin necesidad de que fluya una corriente eléctrica anular a través de él. Además, los estelaradores también pueden utilizar bobinas de campo toroidales, como los tokamaks. Y puede que no haya conductores helicoidales, pero las bobinas de campo "toroidales" se instalan a lo largo de una curva tridimensional compleja. Los últimos avances en el campo de los estelaradores implican el uso de bobinas magnéticas y una cámara de vacío de forma muy compleja (un toro muy "arrugado"), calculada por computadora.

El problema del desnivel se resolvió cambiando significativamente el diseño del objetivo. Ahora la bola se coloca dentro de una pequeña cámara metálica especial (se llama "holraum", del alemán hohlraum - cavidad) con orificios a través de los cuales entran los rayos láser. Además, se utilizan cristales que convierten la radiación láser IR en ultravioleta. Esta radiación ultravioleta es absorbida por una fina capa de material de hohlraum, que se calienta a temperaturas enormes y emite suaves rayos X. A su vez, la radiación de rayos X es absorbida por una fina capa situada en la superficie de la cápsula de combustible (la bola con combustible). Esto también permitió solucionar el problema del calentamiento prematuro de las capas internas.

Sin embargo, la potencia de los láseres resultó insuficiente para que reaccionara una parte notable del combustible. Además, la eficiencia de los láseres era muy baja, sólo alrededor del 1%. Para que la fusión fuera energéticamente beneficiosa con una eficiencia láser tan baja, casi todo el combustible comprimido tenía que reaccionar. Al intentar sustituir los láseres por haces de iones ligeros o pesados, que pueden generarse con mucha mayor eficiencia, los científicos también encontraron muchos problemas: los iones ligeros se repelen entre sí, lo que impide que se enfoquen, y se ralentizan al chocar con residuos. gas en la cámara y aceleradores No fue posible crear iones pesados ​​​​con los parámetros requeridos.

Perspectivas magnéticas

La mayor parte de las esperanzas en el campo de la energía de fusión residen actualmente en los tokamaks. Especialmente después de que abrieron un modo con retención mejorada. Un tokamak es a la vez un pellizco en Z enrollado en un anillo (una corriente eléctrica en anillo fluye a través del plasma, creando un campo magnético necesario para contenerlo) y una secuencia de células especulares ensambladas en un anillo y creando un toroidal magnético "corrugado". campo. Además, al campo toroidal de las bobinas y al campo de corriente de plasma se superpone un campo perpendicular al plano toroidal, creado por varias bobinas individuales. Este campo adicional, llamado poloidal, refuerza el campo magnético de la corriente de plasma (también poloidal) en el exterior del toro y lo debilita en el interior. Por tanto, el campo magnético total en todos los lados de la cuerda de plasma resulta ser el mismo y su posición permanece estable. Modificando este campo adicional es posible mover el haz de plasma dentro de la cámara de vacío dentro de ciertos límites.

El concepto de catálisis de muones propone un enfoque fundamentalmente diferente a la síntesis. Un muón es una partícula elemental inestable que tiene la misma carga que un electrón, pero 207 veces más masa. Un muón puede reemplazar un electrón en un átomo de hidrógeno y el tamaño del átomo disminuye en un factor de 207. Esto permite que un núcleo de hidrógeno se acerque a otro sin gastar energía. Pero para producir un muón se gastan unos 10 GeV de energía, lo que significa que es necesario realizar varios miles de reacciones de fusión por muón para obtener beneficios energéticos. Debido a la posibilidad de que un muón se “pegue” al helio formado en la reacción, aún no se han logrado más de varios cientos de reacciones. La foto muestra el montaje del estelarador Wendelstein z-x en el Instituto Max Planck de Física del Plasma.

Un problema importante de los tokamaks durante mucho tiempo fue la necesidad de crear una corriente anular en el plasma. Para ello, se pasó un circuito magnético a través del orificio central del toro tokamak, cuyo flujo magnético cambiaba continuamente. El cambio en el flujo magnético genera un campo eléctrico de vórtice que ioniza el gas en la cámara de vacío y mantiene la corriente en el plasma resultante. Sin embargo, la corriente en el plasma debe mantenerse continuamente, lo que significa que el flujo magnético debe cambiar continuamente en una dirección. Esto, por supuesto, es imposible, por lo que la corriente en los tokamaks sólo podía mantenerse durante un tiempo limitado (desde una fracción de segundo hasta varios segundos). Afortunadamente, se descubrió la llamada corriente de arranque, que se produce en un plasma sin un campo de vórtice externo. Además, se han desarrollado métodos para calentar el plasma, induciendo simultáneamente en él la corriente anular necesaria. En conjunto, esto proporcionó la posibilidad de mantener el plasma caliente durante el tiempo deseado. En la práctica, el récord pertenece actualmente al tokamak Tore Supra, donde el plasma "quemó" continuamente durante más de seis minutos.

El segundo tipo de instalación de confinamiento de plasma, que resulta muy prometedor, son los estelaradores. En las últimas décadas, el diseño de los estelaradores ha cambiado drásticamente. De los "ocho" originales no quedó casi nada, y estas instalaciones se acercaron mucho más a los tokamaks. Aunque el tiempo de confinamiento de los estelaradores es más corto que el de los tokamaks (debido al modo H menos eficiente) y el costo de su construcción es mayor, el comportamiento del plasma en ellos es más tranquilo, lo que significa una vida más larga de los primeros. pared interior de la cámara de vacío. Para el desarrollo comercial de la fusión termonuclear, este factor es de gran importancia.

Seleccionar una reacción

A primera vista, lo más lógico es utilizar deuterio puro como combustible termonuclear: es relativamente barato y seguro. Sin embargo, el deuterio reacciona con el deuterio cien veces menos fácilmente que con el tritio. Esto significa que para operar un reactor con una mezcla de deuterio y tritio, una temperatura de 10 keV es suficiente, y para operar con deuterio puro, se requiere una temperatura de más de 50 keV. Y cuanto mayor es la temperatura, mayor es la pérdida de energía. Por lo tanto, al menos por primera vez, se planea construir energía termonuclear con combustible de deuterio-tritio. El tritio se producirá en el propio reactor debido a la irradiación con los neutrones rápidos de litio que se producen en él.
Neutrones "incorrectos". En la película de culto "9 días de un año", el personaje principal, mientras trabajaba en una instalación termonuclear, recibió una dosis importante de radiación de neutrones. Sin embargo, más tarde resultó que estos neutrones no se produjeron como resultado de una reacción de fusión. Esto no es una invención del director, sino un efecto real que se observa en los pellizcos Z. En el momento de la interrupción de la corriente eléctrica, la inductancia del plasma genera un voltaje enorme: millones de voltios. Los iones de hidrógeno individuales, acelerados en este campo, son capaces de literalmente expulsar neutrones de los electrodos. Al principio, este fenómeno se consideró un signo seguro de una reacción termonuclear, pero un análisis posterior del espectro de energía de los neutrones mostró que tenían un origen diferente.
Modo de retención mejorado. El modo H de un tokamak es un modo de funcionamiento en el que, con una alta potencia de calentamiento adicional, las pérdidas de energía del plasma disminuyen drásticamente. El descubrimiento accidental del modo de confinamiento mejorado en 1982 es tan significativo como la invención del propio tokamak. Todavía no existe una teoría generalmente aceptada sobre este fenómeno, pero esto no impide su aplicación en la práctica. Todos los tokamaks modernos funcionan de este modo, ya que reduce las pérdidas a más de la mitad. Posteriormente, se descubrió un régimen similar en los estelaradores, lo que indica que se trata de una propiedad general de los sistemas toroidales, pero en ellos el confinamiento sólo mejora en aproximadamente un 30%.
Calentamiento por plasma. Hay tres métodos principales para calentar plasma a temperaturas termonucleares. El calentamiento óhmico es el calentamiento del plasma debido al flujo de corriente eléctrica a través de él. Este método es más eficaz en las primeras etapas, ya que a medida que aumenta la temperatura, disminuye la resistencia eléctrica del plasma. El calentamiento electromagnético utiliza ondas electromagnéticas con una frecuencia que coincide con la frecuencia de rotación alrededor de las líneas del campo magnético de electrones o iones. Al inyectar átomos neutros rápidos, se crea una corriente de iones negativos, que luego se neutralizan, convirtiéndose en átomos neutros que pueden pasar a través del campo magnético hasta el centro del plasma para transferir allí su energía.
¿Son estos reactores? El tritio es radiactivo y la poderosa irradiación de neutrones de la reacción D-T crea radiactividad inducida en los elementos de diseño del reactor. Tenemos que utilizar robots, lo que complica el trabajo. Al mismo tiempo, el comportamiento de un plasma de hidrógeno o deuterio ordinario es muy parecido al comportamiento de un plasma de una mezcla de deuterio y tritio. Esto llevó al hecho de que a lo largo de la historia sólo dos instalaciones termonucleares funcionaron completamente con una mezcla de deuterio y tritio: los tokamaks TFTR y JET. En otras instalaciones ni siquiera siempre se utiliza deuterio. Por lo tanto, el nombre "termonuclear" en la definición de una instalación no significa en absoluto que alguna vez hayan ocurrido reacciones termonucleares en ella (y en las que ocurren, casi siempre se usa deuterio puro).
Reactor híbrido. La reacción D-T produce neutrones de 14 MeV, que pueden incluso fisionar uranio empobrecido. La fisión de un núcleo de uranio va acompañada de la liberación de aproximadamente 200 MeV de energía, que es más de diez veces mayor que la energía liberada durante la fusión. Por lo tanto, los tokamaks existentes podrían resultar energéticamente beneficiosos si estuvieran rodeados por una capa de uranio. En comparación con los reactores de fisión, estos reactores híbridos tendrían la ventaja de evitar que se produzca en ellos una reacción en cadena incontrolada. Además, los flujos de neutrones extremadamente intensos deberían convertir los productos de fisión del uranio de vida larga en productos de vida corta, lo que reduce significativamente el problema de la eliminación de residuos.

Esperanzas inerciales

La fusión inercial tampoco se detiene. A lo largo de décadas de desarrollo de la tecnología láser, han surgido perspectivas de aumentar la eficiencia de los láseres aproximadamente diez veces. Y en la práctica, su poder se ha incrementado cientos y miles de veces. También se están realizando trabajos sobre aceleradores de iones pesados ​​con parámetros adecuados para uso termonuclear. Además, el concepto de “ignición rápida” ha sido un factor crítico en el progreso en el campo de la fusión inercial. Implica el uso de dos pulsos: uno comprime el combustible termonuclear y el otro calienta una pequeña parte del mismo. Se supone que la reacción que comienza en una pequeña parte del combustible se extenderá posteriormente y cubrirá todo el combustible. Este enfoque permite reducir significativamente los costes energéticos y, por tanto, rentabilizar la reacción con una fracción menor del combustible reaccionado.

Problemas con el tokamak

A pesar del progreso de las instalaciones de otros tipos, los tokamaks todavía siguen fuera de competencia: si dos tokamaks (TFTR y JET) en los años 1990 realmente producían una liberación de energía termonuclear aproximadamente igual al consumo de energía para calentar el plasma (incluso aunque este modo duraba sólo alrededor de un segundo), no se podría lograr nada similar con otros tipos de instalaciones. Incluso un simple aumento en el tamaño de los tokamaks conducirá a la viabilidad de una fusión energéticamente favorable en ellos. El reactor internacional ITER se está construyendo actualmente en Francia, país que tendrá que demostrarlo en la práctica.

Sin embargo, los tokamaks también tienen problemas. ITER cuesta miles de millones de dólares, lo que es inaceptable para futuros reactores comerciales. Ningún reactor ha funcionado de forma continua ni siquiera durante unas pocas horas, y mucho menos durante semanas y meses, lo que también es necesario para aplicaciones industriales. Aún no hay certeza de que los materiales de la pared interior de la cámara de vacío puedan resistir una exposición prolongada al plasma.

El concepto de un tokamak con un campo potente puede hacer que el proyecto sea menos costoso. Al aumentar el campo de dos a tres veces, se prevé obtener los parámetros de plasma necesarios en una instalación relativamente pequeña. Este concepto, en particular, es la base del reactor Ignitor, que ahora está empezando a construirse junto con colegas italianos en TRINIT (Instituto Trinity para la Innovación y la Investigación Termonuclear), cerca de Moscú. Si los cálculos de los ingenieros se hacen realidad, a un precio muchas veces menor que el ITER, será posible encender plasma en este reactor.

¡Adelante a las estrellas!

Los productos de una reacción termonuclear vuelan en diferentes direcciones a velocidades de miles de kilómetros por segundo. Esto hace posible crear motores de cohetes ultraeficientes. Su impulso específico será superior al de los mejores motores a reacción eléctricos, y su consumo energético puede ser incluso negativo (teóricamente es posible generar energía, en lugar de consumirla). Además, hay muchas razones para creer que fabricar un motor de cohete termonuclear será incluso más fácil que un reactor terrestre: no hay problema con la creación de vacío, con el aislamiento térmico de los imanes superconductores, no hay restricciones de dimensiones, etc. Además, la generación de electricidad por parte del motor es deseable, pero no es necesaria en absoluto, basta con que no consuma demasiada.

Confinamiento electrostático

El concepto de confinamiento de iones electrostáticos se entiende más fácilmente a través de una configuración llamada fusor. Se basa en un electrodo de malla esférico al que se aplica un potencial negativo. Los iones acelerados en un acelerador separado o por el campo del propio electrodo central caen dentro de él y son retenidos allí por un campo electrostático: si un ion tiende a salir volando, el campo del electrodo lo devuelve. Desafortunadamente, la probabilidad de que un ion colisione con una red es muchos órdenes de magnitud mayor que la probabilidad de entrar en una reacción de fusión, lo que hace imposible una reacción energéticamente favorable. Estas instalaciones han encontrado aplicación únicamente como fuentes de neutrones.
En un esfuerzo por hacer un descubrimiento sensacional, muchos científicos se esfuerzan por ver la síntesis siempre que sea posible. Ha habido numerosos informes en la prensa sobre varias opciones para la llamada "fusión fría". La síntesis se descubrió en metales “impregnados” de deuterio cuando una corriente eléctrica los atraviesa, durante la electrólisis de líquidos saturados de deuterio, durante la formación de burbujas de cavitación en ellos, así como en otros casos. Sin embargo, la mayoría de estos experimentos no han tenido una reproducibilidad satisfactoria en otros laboratorios y sus resultados casi siempre pueden explicarse sin el uso de síntesis.
Continuando con la "gloriosa tradición" que comenzó con la "piedra filosofal" y luego se convirtió en una "máquina de movimiento perpetuo", muchos estafadores modernos ofrecen comprarles un "generador de fusión fría", un "reactor de cavitación" y otros "combustibles". Generadores libres”: sobre la filosofía Todos ya se han olvidado de la piedra, no creen en el movimiento perpetuo, pero la fusión nuclear ahora suena bastante convincente. Pero, lamentablemente, en realidad tales fuentes de energía aún no existen (y cuando puedan crearse, aparecerá en todos los comunicados de prensa). Así que tenga cuidado: si le ofrecen comprar un dispositivo que genera energía mediante fusión nuclear fría, ¡simplemente están tratando de "engañarlo"!

Según estimaciones preliminares, incluso con el nivel actual de tecnología, es posible crear un motor de cohete termonuclear para volar a los planetas del Sistema Solar (con la financiación adecuada). Dominar la tecnología de tales motores aumentará diez veces la velocidad de los vuelos tripulados y permitirá tener grandes reservas de combustible a bordo, lo que hará que volar a Marte no sea más difícil que trabajar en la ISS ahora. Las estaciones automáticas podrán disponer de velocidades del 10% de la velocidad de la luz, lo que significa que será posible enviar sondas de investigación a estrellas cercanas y obtener datos científicos durante la vida de sus creadores.

El concepto de motor de cohete termonuclear basado en fusión inercial se considera actualmente el más desarrollado. La diferencia entre un motor y un reactor radica en el campo magnético, que dirige los productos de reacción cargados en una dirección. La segunda opción implica el uso de una trampa abierta, en la que uno de los tapones se debilita deliberadamente. El plasma que fluye de él creará una fuerza reactiva.

Futuro termonuclear

Dominar la fusión termonuclear resultó ser mucho más difícil de lo que parecía al principio. Y aunque ya se han resuelto muchos problemas, los restantes serán suficientes para las próximas décadas de arduo trabajo de miles de científicos e ingenieros. Pero las perspectivas que nos abren las transformaciones de los isótopos de hidrógeno y helio son tan grandes, y el camino recorrido ya es tan significativo que no tiene sentido detenerse a mitad del camino. Independientemente de lo que digan numerosos escépticos, el futuro está indudablemente en la síntesis.

ITER - Reactor Termonuclear Internacional (ITER)

El consumo humano de energía crece cada año, lo que empuja al sector energético hacia un desarrollo activo. Así, con la aparición de las centrales nucleares, la cantidad de energía generada en todo el mundo aumentó significativamente, lo que hizo posible utilizar la energía de forma segura para todas las necesidades de la humanidad. Por ejemplo, el 72,3% de la electricidad generada en Francia proviene de centrales nucleares, en Ucrania el 52,3%, en Suecia el 40,0%, en el Reino Unido el 20,4% y en Rusia el 17,1%. Sin embargo, la tecnología no se detiene y, para satisfacer las necesidades energéticas de los países del futuro, los científicos están trabajando en una serie de proyectos innovadores, uno de los cuales es el ITER (Reactor Experimental Termonuclear Internacional).

Aunque la rentabilidad de esta instalación aún está en duda, según el trabajo de numerosos investigadores, la creación y posterior desarrollo de la tecnología de fusión termonuclear controlada puede dar como resultado una fuente de energía potente y segura. Consideremos algunos de los aspectos positivos de dicha instalación:

• El principal combustible de un reactor termonuclear es el hidrógeno, lo que supone reservas prácticamente inagotables de combustible nuclear.
• El hidrógeno se puede producir procesando agua de mar, que está disponible en la mayoría de los países. De esto se deduce que no puede surgir un monopolio de los recursos combustibles.
• La probabilidad de una explosión de emergencia durante el funcionamiento de un reactor termonuclear es mucho menor que durante el funcionamiento de un reactor nuclear. Según los investigadores, incluso en caso de accidente, las emisiones de radiación no supondrán ningún peligro para la población, por lo que no será necesario realizar evacuaciones.
• A diferencia de los reactores nucleares, los reactores de fusión producen desechos radiactivos que tienen una vida media corta, lo que significa que se desintegran más rápido. Además, en los reactores termonucleares no se producen productos de combustión.
• Un reactor de fusión no requiere materiales que también se utilizan para armas nucleares. Esto elimina la posibilidad de encubrir la producción de armas nucleares mediante el procesamiento de materiales para las necesidades de un reactor nuclear.

Reactor termonuclear - vista interior

Sin embargo, también existen una serie de deficiencias técnicas con las que los investigadores se topan constantemente.

Por ejemplo, la versión actual del combustible, presentada en forma de una mezcla de deuterio y tritio, requiere el desarrollo de nuevas tecnologías. Por ejemplo, al final de la primera serie de pruebas en el reactor termonuclear JET, el más grande hasta la fecha, el reactor se volvió tan radiactivo que fue necesario desarrollar un sistema especial de mantenimiento robótico para completar el experimento. Otro factor decepcionante en el funcionamiento de un reactor termonuclear es su eficiencia: 20%, mientras que la eficiencia de una central nuclear es del 33-34% y la de una central térmica es del 40%.

Creación del proyecto ITER y puesta en marcha del reactor

El proyecto ITER se remonta a 1985, cuando la Unión Soviética propuso la creación conjunta de un tokamak, una cámara toroidal con bobinas magnéticas que puede contener plasma mediante imanes, creando así las condiciones necesarias para que se produzca una reacción de fusión termonuclear. En 1992 se firmó un acuerdo cuatripartito para el desarrollo del ITER, en el que participaron la UE, Estados Unidos, Rusia y Japón. En 1994, la República de Kazajstán se unió al proyecto, en 2001, Canadá, en 2003, Corea del Sur y China, y en 2005, India. En 2005, se determinó el lugar para la construcción del reactor: el Centro de Investigación de Energía Nuclear de Cadarache, Francia.

La construcción del reactor comenzó con la preparación de un pozo para los cimientos. Entonces los parámetros del pozo eran 130 x 90 x 17 metros. Todo el complejo de tokamak pesará 360.000 toneladas, de las cuales 23.000 toneladas son el propio tokamak.

Se desarrollarán y entregarán al sitio de construcción varios elementos del complejo ITER desde todo el mundo. Así, en 2016 se desarrollaron en Rusia parte de los conductores para las bobinas poloidales, que luego se enviaron a China, donde se producirán las bobinas.

Evidentemente, organizar una obra de tal envergadura no es nada fácil; varios países han incumplido repetidamente el calendario del proyecto, por lo que la puesta en marcha del reactor se ha pospuesto constantemente. Así, según el mensaje de junio del año pasado (2016): “la recepción del primer plasma está prevista para diciembre de 2025”.

El mecanismo de funcionamiento del tokamak ITER.

El término "tokamak" proviene de un acrónimo ruso que significa "cámara toroidal con bobinas magnéticas".

El corazón de un tokamak es su cámara de vacío en forma de toro. En el interior, bajo temperaturas y presiones extremas, el gas combustible hidrógeno se convierte en plasma, un gas caliente cargado eléctricamente. Como se sabe, la materia estelar está representada por plasma y las reacciones termonucleares en el núcleo solar ocurren precisamente en condiciones de temperatura y presión elevadas. Condiciones similares para la formación, retención, compresión y calentamiento del plasma se crean mediante enormes bobinas magnéticas ubicadas alrededor de un recipiente de vacío. La influencia de los imanes limitará el plasma caliente de las paredes del recipiente.

Antes de que comience el proceso, se eliminan el aire y las impurezas de la cámara de vacío. Luego se cargan los sistemas magnéticos que ayudarán a controlar el plasma y se introduce combustible gaseoso. Cuando una poderosa corriente eléctrica pasa a través del recipiente, el gas se divide eléctricamente y se ioniza (es decir, los electrones abandonan los átomos) y forma un plasma.

A medida que las partículas de plasma se activan y chocan, también comienzan a calentarse. Las técnicas de calentamiento asistido ayudan a llevar el plasma a temperaturas de fusión (de 150 a 300 millones de °C). Las partículas "excitadas" hasta este punto pueden superar su repulsión electromagnética natural al chocar, liberando enormes cantidades de energía como resultado de dichas colisiones.

El diseño del tokamak consta de los siguientes elementos:

Recipiente de vacío

(“donut”) es una cámara toroidal hecha de acero inoxidable. Su diámetro grande es de 19 m, el pequeño es de 6 my su altura es de 11 m. El volumen de la cámara es de 1.400 m 3 y su peso es de más de 5.000 toneladas. Las paredes del recipiente de vacío son dobles. Entre las paredes circulará refrigerante, que será agua destilada. Para evitar la contaminación del agua, la pared interior de la cámara se protege de la radiación radiactiva mediante una manta.

Frazada

(“manta”) – consta de 440 fragmentos que cubren la superficie interior de la cámara. La superficie total para banquetes es de 700m2. Cada fragmento es una especie de casete, cuyo cuerpo está hecho de cobre y la pared frontal es removible y está hecha de berilio. Los parámetros de los casetes son de 1x1,5 my la masa no supera las 4,6 toneladas. Estos casetes de berilio ralentizarán los neutrones de alta energía que se forman durante la reacción. Durante la moderación de neutrones, el sistema de enfriamiento liberará y eliminará calor. Cabe señalar que el polvo de berilio que se forma como resultado del funcionamiento del reactor puede causar una enfermedad grave llamada berilio y también tiene efectos cancerígenos. Por este motivo, en el complejo se están desarrollando estrictas medidas de seguridad.

Tokamak en sección. Amarillo - solenoide, naranja - imanes de campo toroidal (TF) y campo poloidal (PF), azul - manta, azul claro - VV - recipiente de vacío, violeta - desviador

("cenicero") del tipo poloidal es un dispositivo cuya tarea principal es "limpiar" el plasma de la suciedad resultante del calentamiento y la interacción de las paredes de la cámara cubiertas con una manta. Cuando estos contaminantes entran en el plasma, comienzan a irradiar intensamente, lo que provoca pérdidas de radiación adicionales. Está ubicado en la parte inferior del tokomak y utiliza imanes para dirigir las capas superiores de plasma (que son las más contaminadas) hacia la cámara de enfriamiento. Aquí el plasma se enfría y se convierte en gas, después de lo cual se bombea nuevamente fuera de la cámara. El polvo de berilio, después de entrar en la cámara, prácticamente no puede regresar al plasma. Por tanto, la contaminación por plasma permanece sólo en la superficie y no penetra más profundamente.

criostato

- el componente más grande del tokomak, que es una carcasa de acero inoxidable con un volumen de 16.000 m 2 (29,3 x 28,6 m) y una masa de 3.850 toneladas. Otros elementos del sistema se ubicarán dentro del criostato, y él mismo sirve. como barrera entre el tokamak y el entorno exterior. En sus paredes interiores se ubicarán pantallas térmicas enfriadas mediante circulación de nitrógeno a una temperatura de 80 K (-193,15 °C).

sistema magnético

– un conjunto de elementos que sirven para contener y controlar el plasma dentro de un recipiente de vacío. Es un conjunto de 48 elementos:

• Las bobinas de campo toroidal están ubicadas fuera de la cámara de vacío y dentro del criostato. Se presentan en 18 piezas, cada una de las cuales mide 15 x 9 my pesan aproximadamente 300 toneladas. En conjunto, estas bobinas generan un campo magnético de 11,8 Tesla alrededor del toro de plasma y almacenan una energía de 41 GJ.
• Bobinas de campo poloidal: ubicadas encima de las bobinas de campo toroidal y dentro del criostato. Estas bobinas son responsables de generar un campo magnético que separa la masa de plasma de las paredes de la cámara y comprime el plasma para su calentamiento adiabático. El número de estas bobinas es 6. Dos de las bobinas tienen un diámetro de 24 my una masa de 400 toneladas. Las cuatro restantes son algo más pequeñas.
• El solenoide central está ubicado en la parte interior de la cámara toroidal, o más bien en el “donut Hole”. El principio de funcionamiento es similar al de un transformador y su tarea principal es excitar una corriente inductiva en el plasma.
• Las bobinas de corrección están ubicadas dentro del recipiente de vacío, entre la manta y la pared de la cámara. Su tarea es mantener la forma del plasma, capaz de "abultarse" localmente e incluso tocar las paredes del recipiente. Le permite reducir el nivel de interacción de las paredes de la cámara con el plasma y, por lo tanto, el nivel de contaminación, y también reduce el desgaste de la propia cámara.

Estructura del complejo ITER

El diseño del tokamak descrito anteriormente “en pocas palabras” es un mecanismo innovador muy complejo creado gracias a los esfuerzos de varios países. Sin embargo, para su pleno funcionamiento se requiere todo un complejo de edificios ubicados cerca del tokamak. Entre ellos:

• Sistema de Control, Acceso a Datos y Comunicación – CODAC. Ubicado en varios edificios del complejo ITER.
• Almacenamiento de combustible y sistema de combustible: sirve para suministrar combustible al tokamak.
• El sistema de vacío consta de más de cuatrocientas bombas de vacío, cuya tarea es bombear los productos de la reacción termonuclear, así como diversos contaminantes de la cámara de vacío.
• Sistema criogénico: representado por un circuito de nitrógeno y helio. El circuito de helio normalizará la temperatura en el tokamak, cuyo trabajo (y por tanto la temperatura) no se produce de forma continua, sino por impulsos. El circuito de nitrógeno enfriará los escudos térmicos del criostato y el propio circuito de helio. También habrá un sistema de refrigeración por agua, cuyo objetivo es reducir la temperatura de las paredes de la manta.
• Fuente de alimentación. El tokamak necesitará aproximadamente 110 MW de energía para funcionar de forma continua. Para ello, se instalarán líneas eléctricas de un kilómetro de longitud que se conectarán a la red industrial francesa. Vale la pena recordar que la instalación experimental ITER no se ocupa de la producción de energía, sino que funciona únicamente por intereses científicos.

Financiación del ITER

El reactor termonuclear internacional ITER es una empresa bastante costosa, que inicialmente se estimó en 12 mil millones de dólares, de los cuales 1/11 corresponden a Rusia, Estados Unidos, Corea, China e India, 2/11 a Japón y 4 a la UE. /11. Esta cantidad aumentó posteriormente a 15 mil millones de dólares. Cabe destacar que el financiamiento se da a través del suministro de los equipos necesarios para el complejo, el cual se desarrolla en cada país. Así, Rusia suministra mantas, dispositivos de calentamiento de plasma e imanes superconductores.

Perspectiva del proyecto

Actualmente está en marcha la construcción del complejo ITER y la producción de todos los componentes necesarios para el tokamak. Tras el lanzamiento previsto del tokamak en 2025, se iniciarán una serie de experimentos, a partir de cuyos resultados se observarán los aspectos que requieren mejora. Tras la exitosa puesta en funcionamiento del ITER, está previsto construir una central eléctrica basada en fusión termonuclear denominada DEMO (DEMOnstration Power Plant). El objetivo de DEMo es demostrar el llamado "atractivo comercial" de la energía de fusión. Si ITER es capaz de generar sólo 500 MW de energía, DEMO podrá generar continuamente 2 GW de energía.

Sin embargo, hay que tener en cuenta que la instalación experimental ITER no producirá energía y su finalidad es obtener beneficios puramente científicos. Y como saben, tal o cual experimento físico no sólo puede cumplir con las expectativas, sino también aportar nuevos conocimientos y experiencias a la humanidad.

La dirección de Lockheed Martin anunció que en febrero de 2018 recibió una patente para un reactor de fusión compacto. Los expertos consideran que esto es imposible, aunque según The War Zone, "es posible que la corporación estadounidense haga una declaración oficial en un futuro próximo".

El reportero de FlightGlobal, Stephen Trimble, tuiteó que “una nueva patente de un ingeniero de Skunk Works muestra un diseño de reactor de fusión compacto con un plano para el F-16 como una aplicación potencial. En Palmdale se está probando un prototipo de reactor”.

Según la publicación, "El hecho de que Skunk Works haya seguido involucrado en el proceso de patente durante los últimos cuatro años también parece indicar que realmente han logrado avances con el programa, al menos hasta cierto punto". Los autores del material señalan que hace cuatro años, los desarrolladores del proyecto publicaron información básica sobre el diseño básico del reactor, el cronograma del proyecto y los objetivos generales del programa, lo que indica un trabajo serio.

Recordemos que Lockheed Martin presentó una solicitud provisional de patente “Encapsulating Magnetic Fields for Plasma Confinement” el 4 de abril de 2013. Al mismo tiempo, el 2 de abril de 2014 se recibió la solicitud oficial ante la Oficina de Patentes y Marcas de EE. UU.

Lockheed Martin dijo que la patente se recibió el 15 de febrero de 2018. En un momento, el director del proyecto Compact Fusion, Thomas McGuire, dijo que se crearía una planta piloto en 2014, un prototipo en 2019 y un prototipo funcional en 2024.

La empresa informa en su sitio web que el reactor termonuclear en el que están trabajando sus especialistas puede utilizarse para suministrar energía a un portaaviones, a un avión de combate o a una pequeña ciudad.

En octubre de 2014, la corporación afirmó que los resultados preliminares de la investigación indican la posibilidad de crear reactores ligeros de fusión nuclear con una potencia de unos 100 megavatios y unas dimensiones comparables a las de un camión (que es unas diez veces más pequeño que los modelos existentes). En esencia, estamos hablando de una aplicación para el descubrimiento del siglo: un reactor resistente a la radiación capaz de proporcionar energía a cualquier cosa.

Por su parte, los científicos rusos que participan en la investigación en el campo de la fusión termonuclear controlada calificaron el mensaje de Lockheed Martin como una declaración poco científica destinada a atraer la atención del público en general. Sin embargo, en Twitter apareció una foto de un reactor termonuclear compacto, supuestamente creado por la corporación estadounidense Lockheed Martin.

“Esto no puede suceder. El caso es que lo que se entiende por reactor termonuclear es muy conocido desde el punto de vista físico. Si suena “¿helio 3? - Debes comprender inmediatamente que se trata de un engaño. Este es un rasgo característico de este tipo de cuasi-descubrimientos: donde hay una línea "cómo hacerlo, cómo implementarlo" y diez páginas sobre cómo será bueno después. Este es un signo muy característico: aquí inventamos la fusión termonuclear fría, y luego no dicen cómo implementarla, y solo diez páginas después, cuán grandiosa será”, dijo el subdirector del Laboratorio de Reacciones Nucleares. Pravda.ru. Flerov JINR en Dubna Andrey Papeko.

“La cuestión principal es cómo provocar una reacción termonuclear, con qué calentarla, con qué mantenerla; esta también es, en general, una cuestión que aún no se ha resuelto. E incluso, digamos, en las instalaciones termonucleares láser, allí no se enciende una reacción termonuclear normal. Y lamentablemente no se vislumbra ninguna solución en el futuro previsible”, explicó el físico nuclear.

“Rusia está realizando muchas investigaciones, esto es comprensible, se ha publicado en toda la prensa abierta, es decir, es necesario estudiar las condiciones de calentamiento de materiales para una reacción termonuclear. En general, se trata de una mezcla con deuterio; no hay ciencia ficción, esta física es muy conocida. Cómo calentarlo, cómo sostenerlo, cómo eliminar energía, si enciendes un plasma muy caliente, se comerá las paredes del reactor, las derretirá. En instalaciones grandes se pueden utilizar campos magnéticos para retenerlo y enfocarlo en el centro de la cámara para que no derrita las paredes del reactor. Pero en instalaciones pequeñas simplemente no funcionará, se derretirá y arderá. Es decir, son, en mi opinión, declaraciones muy prematuras”, concluyó.

“Lockheed Martin ha comenzado a desarrollar un reactor termonuclear compacto... En el sitio web de la compañía se dice que el primer prototipo se construirá dentro de un año. Si esto resulta ser cierto, dentro de un año viviremos en un mundo completamente diferente”, así comienza uno de “The Attic”. Han pasado tres años desde su publicación y el mundo no ha cambiado tanto desde entonces.

Hoy en día, en los reactores de las centrales nucleares, la energía se genera mediante la desintegración de núcleos pesados. En los reactores termonucleares la energía se obtiene durante el proceso de fusión de núcleos, durante el cual se forman núcleos de menor masa que la suma de los originales, y el “residuo” se pierde en forma de energía. Los desechos de los reactores nucleares son radiactivos y su eliminación segura es un gran dolor de cabeza. Los reactores de fusión no tienen este inconveniente y además utilizan combustible ampliamente disponible, como el hidrógeno.

Sólo tienen un gran problema: los diseños industriales aún no existen. La tarea no es fácil: para que se produzcan reacciones termonucleares, el combustible debe comprimirse y calentarse a cientos de millones de grados, más que en la superficie del Sol (donde las reacciones termonucleares ocurren de forma natural). Es difícil alcanzar una temperatura tan alta, pero es posible, pero un reactor de este tipo consume más energía de la que produce.

Sin embargo, todavía tienen tantas ventajas potenciales que, por supuesto, no sólo Lockheed Martin participa en su desarrollo.

ITER

ITER es el proyecto más grande en esta área. En él participan la Unión Europea, India, China, Corea, Rusia, Estados Unidos y Japón, y el reactor en sí está construido en territorio francés desde 2007, aunque su historia se remonta mucho más al pasado: Reagan y Gorbachev acordaron su creación en 1985. El reactor es una cámara toroidal, un “donut”, en el que el plasma se mantiene mediante campos magnéticos, por eso se llama tokamak. Eso roidal ká medir con mamá podrido A atushki. El reactor generará energía mediante la fusión de isótopos de hidrógeno: deuterio y tritio.

Está previsto que ITER reciba 10 veces más energía de la que consume, pero esto no sucederá pronto. Inicialmente estaba previsto que el reactor comenzara a funcionar en modo experimental en 2020, pero luego esta fecha se pospuso hasta 2025. Al mismo tiempo, la producción industrial de energía no comenzará antes de 2060, y sólo podemos esperar que esta tecnología se generalice a finales del siglo XXI.

Wendelstein 7-X

Wendelstein 7-X es el reactor de fusión tipo stellarator más grande. El stellarator resuelve el problema que afecta a los tokamaks: la "propagación" del plasma desde el centro del toro hasta sus paredes. Lo que el tokamak intenta afrontar gracias a la potencia del campo magnético, el stellarator lo resuelve gracias a su forma compleja: el campo magnético que sostiene el plasma se dobla para detener el avance de las partículas cargadas.

Wendelstein 7-X, como esperan sus creadores, podrá funcionar durante media hora en 21, lo que dará un "boleto a la vida" a la idea de estaciones termonucleares de diseño similar.

Instalación Nacional de Ignición

Otro tipo de reactor utiliza potentes láseres para comprimir y calentar combustible. Lamentablemente, la mayor instalación láser para producir energía termonuclear, la NIF estadounidense, no pudo producir más energía de la que consume.

Es difícil predecir cuál de todos estos proyectos despegará realmente y cuál correrá la misma suerte que el NIF. Todo lo que podemos hacer es esperar, tener esperanza y seguir las noticias: la década de 2020 promete ser una época interesante para la energía nuclear.

“Tecnologías nucleares” es uno de los perfiles de la Olimpiada NTI para escolares.