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Zivis: El primer Gran Supercomputador Ciudadano >>Aplicaciones >> La Fusión
La obtención de energía es uno de los principales problemas a los que el mundo se entrenta hoy en día. El consumo se incrementó enormemente durante el pasado siglo XX y todo indica que en este siglo seguirá creciendo. Sin embargo, las principales fuentes de energía principales que utilizamos, los combustibles fósiles, empezarán a escasear y además su uso indiscriminado está contribuyendo de manera decisiva al cambio climático. El reto consiste por tanto en encontrar otras fuentes de energía que sean capaces de hacer frente a ese incremento en la demanda y que respeten el medio ambiente. La fusión se presenta como una de las grandes alternativas, pero su enorme complejidad técnica hace necesario desarrollar proyectos como ZIVIS para su estudio.TIPOS DE FUENTES DE ENERGÍA
Para solventar el problema de las fuentes de energía, se ha ido proponiendo distintas opciones desde hace algún tiempo. Por un lado encontramos las energías renovables, que presentan como mejor aval el respeto al medio ambiente, factor que en las actuales circunstancias se ha convertido en muy importante. Entre ellas destacan energía solar, eólica, hidráulica, geotérmica, mareomotriz o biomasa. Sin embargo, las dos primeras, por ejemplo, tienen el inconveniente de su gran dependencia con las condiciones meteorológicas. Otra gran alternativa ha sido, desde hace medio siglo, la energía nuclear basada en la fisión. Capaz de generar por sí misma grandes cantidades de energía, tiene el inconveniente de los residuos radioactivos que produce, que perduran durante largos periodos de tiempo. Ante esto se abren vías de investigación de nuevas fuentes: la gran baza sería la fusión ya que aúna gran productividad, abundancia de materia prima y respeto al medio ambiente. Pero la tecnología para poder emplearla aún se está desarrollando.
¿QUÉ ES LA FUSIÓN?
La fusión nuclear consiste en unir dos núcleos ligeros para formar uno más pesado, liberándose energía en el proceso. Sin embargo los núcleos están cargados positivamente y todos sabemos que las cargas del mismo signo se repelen. Entonces ¿cómo es posible que dos núcleos se unan si se repelen mutuamente? Existen otras fuerzas fundamentales, en este caso la fuerza nuclear fuerte, que atrae a protones y neutrones (los elementos constituyentes del núcleo atómico) entre sí. Pero esta fuerza es de muy corto alcance, es decir que los núcleos tendrán que estar muy juntos para que pueda sentirse, así que aún nos falta resolver el problema de acercar mucho dos elementos que se repelen. Esto se consigue dándoles suficiente energía: que los núcleos se estén moviendo tan rápidamente que la fuerza electromagnética de repulsión entre ellos no consiga impedir que se acerquen mucho. Para ello se aumenta la temperatura del gas, que al estar constituido por partículas cargadas (núcleos y electrones) da lugar a un plasma. Esta temperatura es de decenas o incluso de cientos de millones de grados. Pero no sólo esto es necesario, además es imprescindible que el número de encuentros entre núcleos sea grande, y ello se consigue aumentando la densidad del plasma. En estas circunstancias podría llevarse a cabo la fusión y, si se consiguen mantener durante tiempo suficiente, extraer energía de este proceso. Pero esto nos genera un problema técnico ¿cómo mantenemos durante el tiempo necesario un plasma de densidad suficiente a tan alta temperatura? Éste es el problema del confinamiento.
CONFINAMIENTO
Ningún recipiente puede contener un plasma a tan altas temperaturas: las paredes quedarían deterioradas inmediatamente y emitirían impurezas al plasma, el cual quedaría lejos de las condiciones necesarias para la fusión. Para resolver este problema podríamos fijarnos en cómo lo ha resuelto la naturaleza. La fusión nuclear se lleva a cabo de manera natural en el interior de las estrellas. En este caso, es la gravedad la que se encarga de crear las condiciones necesarias en el interior de la estrella y es un sistema que obviamente las mantiene durante mucho tiempo. Sin embargo no es una solución viable para realizarla en la Tierra. Hemos de buscar otro método, y el más avanzado actualmente es el confinamiento magnético. Éste se basa en que, en presencia de un campo magnético, las partículas cargadas siguen la dirección de las líneas de campo (describiendo hélices en torno a ellas). Por tanto, si creamos un campo magnético cuyas líneas estén contenidas en una región toroidal (con forma de salvavidas) las partículas del plasma se mantendrán a su vez en esta región. Así se consigue tener el plasma a las altas temperaturas que son necesarias sin que esté en contacto con los materiales de la carcasa del reactor. Pero hay otros factores a tener en cuenta que perjudican el confinamiento del plasma: las partículas del plasma interaccionan entre ellas. Así, tras una colisión pueden salirse de esta región y chocar con las paredes del reactor. Además del campo eléctrico, la curvatura y las inhomogeneidades en el campo magnético hacen que el plasma tienda a escapar de la zona de confinamiento, en un fenómeno llamado transporte. En el estudio del transporte, que involucra a un gran número de partículas (trillones por cada metro cuadrado) es donde entran las simulaciones por ordenador. Para llevarlas a cabo, es necesaria una gran potencia de cálculo, por lo que se ha creado el proyecto ZIVIS. En él, calculamos las trayectorias de millones de iones en el interior del plasma, y estudiamos el comportamiento de dichas partículas en función de los parámetros relevantes del plasma. Una de las cantidades a medir será el tiempo de confinamiento del plasma en determinadas condiciones de temperatura y densidad, que es una de las magnitudes a optimizar.
COMBUSTIBLES Y OBTENCIÓN DE LA ENERGÍA
Hasta ahora sólo hemos dicho que la fusión se podría llevar a cabo con elementos ligeros, pero ¿cuáles se ha propuesto usar? No se pretende copiar los complicados ciclos de reacciones que se dan en el interior de las estrellas, como la cadena protón-protón o el ciclo del carbono-nitrógeno-oxígeno (esta última más importante en las estrellas más masivas que el Sol). En los reactores que se plantean actualmente se pretende reaccionar deuterio con tritio para dar como resultado helio-4 y un neutrón de alta energía, que se lleva la mayor parte de la energía de la reacción. Este es el proceso: D T -> 4He n. El deuterio y el tritio son isótopos del hidrógeno. El primero se encuentra en la naturaleza: está presente en el agua en una proporción de unos 30 gramos por cada metro cúbico de agua. El tritio sin embargo no se encuentra en la naturaleza y hay que obtenerlo a partir del litio. Es radioactivo, pero tiene una vida media corta y además se obtendrá directamente en la propia planta de un futuro reactor de fusión. Los productos de la reacción son el helio-4 y neutrones de alta energía, que al ser neutros ya no se mantienen en la región del campo magnético y se escapan hacia el exterior del reactor. Por ello se rodea el reactor con una estructura de un material con litio lo suficientemente gruesa como para frenar los neutrones. Además el litio reacciona con lo neutrones para dar tritio, que se reutiliza en el reactor. Como el proceso libera energía la pared se calienta y este calor es usado para producir vapor de agua y generar electricidad de manera convencional.
Se estudia la opción de utilizar otros procesos como reaccionar deuterio con deuterio, obteniendo helio-3 y un neutrón o bien tritio y un protón. De esta forma se eliminaría la necesidad de obtener el tritio y a su vez se evitaría trabajar con esta sustancia radioactiva. Por último también es muy interesante la reacción entre deuterio y helio-3, que da lugar a helio-4 y un protón, aunque tiene el inconveniente de la poca cantidad de helio-3 presente en la Tierra.
A diferencia de los reactores nucleares basados en la fisión, un futuro reactor de fusión no tendría el inconveniente de la larga vida de las sustancias radioactivas ya que mientras estuviera en funcionamiento solo utilizaría el tritio como elemento radioactivo y se produciría en el interior de la planta. Además, los elementos que se hayan podido activar en las paredes del reactor habrán dejado de resultar peligrosas en un período de unos 100 años tras la desmantelación del reactor.
Todo lo dicho anteriormente hace que se considere la fusión como una de las más importantes futuras fuentes de energía que permitan terminar con la actual dependencia de los combustibles fósiles, aunque aún se está investigando para solucionar los problemas técnicos que hay que afrontar para poder usarla. En concreto, tiene especial importancia el estudio del transporte mediante simulaciones numéricas por ordenador como las que se realizarán en ZIVIS.
