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ITER

ITER, el mayor reactor de fusión del mundo

31/10/2023
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Las siglas ITER corresponden a "International Thermonuclear Experimental Reactor" en inglés. Traducido al español como "Reactor Experimental Termonuclear Internacional". Este proyecto energético es uno los más ambiciosos del mundo y tiene como objetivo desarrollar la tecnología necesaria para la fusión nuclear controlada como una fuente de energía. ITER representa una colaboración internacional importante en este campo y tiene como objetivo demostrar la viabilidad de la fusión nuclear como una fuente de energía sostenible y limpia para el futuro. Desde el Latín, el nombre "Iter" significa "el camino", siendo un término adecuado ya que representa el camino hacia una fuente de energía revolucionaria y prometedora.

¿En qué consiste ITER?

El principal propósito del ITER radica en la investigación y demostración de plasmas altamente energéticos. Un plasma es un gas ionizado en el cual todos o la mayoría de los átomos han perdido uno o varios de sus electrones, transformándose en iones positivos. El plasma, en general, es una mezcla de tres componentes: electrones libres, iones positivos y átomos neutros. Pues en estos plasmas, la energía generada por las reacciones de fusión nuclear en los núcleos de helio es suficiente para mantener la temperatura del plasma sin necesidad de calentamiento externo.

El ITER también llevará a cabo pruebas para evaluar la disponibilidad y la integración de tecnologías cruciales para un reactor de fusión, como los imanes superconductores, el mantenimiento remoto y los sistemas de agotamiento de energía del plasma. Además, se examinará la viabilidad de los conceptos de módulos de producción de tritio, uno de los isótopos del Hidrógeno. Esto eventualmente permitiría que un reactor futuro sea autosuficiente en cuanto al suministro de tritio.

Objetivos del ITER

Alcanzar un plasma deuterio-tritio en el que las condiciones de la reacción de fusión permanezcan estables

Actualmente la investigación sobre la fusión nuclear se encuentra en una etapa crucial. Se está explorando la posibilidad de lograr un estado de "plasma ardiente". Este estado implica que el calor generado por la fusión nuclear se mantenga eficazmente confinado dentro del plasma, de manera que el autocalentamiento sea el proceso dominante, superando cualquier otra forma de calentamiento. Los científicos tienen confianza en que los plasmas generados en el ITER no solo producirán una mayor cantidad de energía de fusión, sino que también mantendrán su estabilidad durante períodos más prolongados.

Generar 500 MW de potencia de fusión en su plasma

El récord mundial de potencia de fusión en un dispositivo de confinamiento magnético está en manos del tokamak europeo JET (Joint European Torus). En 1997, el JET logró generar 16 MW de potencia de fusión a partir de una potencia calorífica total de 24 MW (con un valor de Q=0,67).

 

Diseño de JET en 1980

El ITER está diseñado con la meta de alcanzar una potencia diez veces mayor en su plasma (Q=10), es decir, generar 500 MW de potencia de fusión a partir de una entrada de 50 MW de potencia calorífica. Aunque el ITER no transformará esta potencia calorífica en electricidad, representará el primer experimento de fusión en la historia en lograr una ganancia neta de energía en el plasma, allanando el camino para futuras máquinas que puedan lograr esta conversión en electricidad.

¿Cómo eligieron los diseñadores del ITER el valor específico de Q ≥ 10?

Considerando el tamaño de la vasija de vacío del ITER y la intensidad del campo magnético de confinamiento de 5,3 Tesla, el plasma del ITER, que ocupa un volumen de 830 metros cúbicos, tiene la capacidad de transportar una corriente de hasta 15 Megamperios (MA). En estas condiciones, se requiere una potencia térmica de entrada de 50 megavatios para elevar la temperatura del plasma de hidrógeno en la vasija a unos 150 millones de grados centígrados. Esta temperatura, a su vez, genera una velocidad lo suficientemente alta entre una población adecuada de núcleos de hidrógeno, lo que induce la fusión a una velocidad que resulta en al menos 500 megavatios de potencia térmica de salida.

¿Por qué no diseñar el ITER para lograr un valor de Q de 40 o incluso 70? La respuesta es bastante clara: el coste. En el caso de los tokamaks, el tamaño es un factor determinante. Si todos los demás parámetros son iguales, un mayor tamaño conlleva un mayor valor de Q. En términos simples, para aumentar Q, sería necesario aumentar el radio principal o la intensidad del campo magnético, lo que habría incrementado innecesariamente el costo del dispositivo. Al lograr un valor de Q igual o superior a 10, se satisface adecuadamente los objetivos científicos y tecnológicos esenciales del proyecto.

Generación de Energía en una reacción de fusión

Los átomos nunca descansan: cuanto más calientes están, más rápido se mueven. En el núcleo del Sol, donde las temperaturas alcanzan los 15.000.000 °C, los átomos de hidrógeno están en constante agitación. Al chocar a velocidades muy elevadas, la repulsión electrostática natural que existe entre las cargas positivas de sus núcleos se supera y los átomos se fusionan. La fusión de los átomos ligeros de hidrógeno produce un elemento más pesado, el helio.

 

Reacción de fusión

Sin embargo, la masa del átomo de helio resultante no es la suma exacta de los átomos iniciales: se ha perdido algo de masa y se han ganado grandes cantidades de energía. Y gracias a los avances en física de Albert Einstein conocemos la energía equivalente que genera esta diferencia de masa. Ésta es la cantidad de energía creada por una reacción de fusión.

Cada segundo, nuestro Sol transforma 600 millones de toneladas de hidrógeno en helio, liberando una enorme cantidad de energía. Pero sin la ventaja de las fuerzas gravitatorias que actúan en nuestro Universo, lograr la fusión en la Tierra ha requerido un enfoque diferente.

La ciencia de la fusión del siglo XX identificó la reacción de fusión más eficaz en el laboratorio: la reacción entre dos isótopos de hidrógeno (H), el deuterio (D) y el tritio (T). La reacción de fusión DT produce la mayor ganancia de energía a las temperaturas "más bajas". Requiere, no obstante, temperaturas de 150.000.000 de grados Celsius, diez veces superiores a la reacción del hidrógeno que se produce en el Sol.

No todos los elementos al unirse o separarse generan energía. Siempre tienden al punto de mayor estabilidad posible. Los átomos más pesados tienden a separarse, mientras que los ligeros tienden a unirse.

¿Qué combustible usa ITER?

El ITER y los futuros dispositivos de fusión utilizarán los isótopos de hidrógeno deuterio y tritio para alimentar la reacción de fusión. El deuterio puede destilarse de todas las formas de agua. Es un recurso ampliamente disponible, inocuo y prácticamente inagotable. En cada metro cúbico de agua de mar, por ejemplo, hay 33 gramos de deuterio. El deuterio se produce habitualmente para aplicaciones científicas e industriales.

El tritio, sin embargo, sólo está presente en la naturaleza en cantidades ínfimas. La única fuente de tritio fácilmente disponible procede de reactores de fisión de agua pesada como el tipo CANDU. La naturaleza ofrece una solución que combina elegancia y eficacia: si tiene éxito, la propia reacción de fusión producirá el tritio que, a su vez, seguirá alimentando la reacción. Y lo que es más, el proceso tendrá lugar dentro de la vasija de vacío en un ciclo seguro, continuo y cerrado. La clave de este proceso es el isótopo 6 del litio (Li-6) que, al recibir el impacto de los neutrones, genera tritio. ¿Habrá suficiente litio para mantener la producción de tritio para la fusión? Sí, suficiente para al menos varios miles de años.

¿Qué es Tokamak?

El tokamak es una máquina experimental diseñada para aprovechar la energía de fusión. La palabra proviene como un acrónimo de su origen ruso. En español significa cámara toroidal con bobinas magnéticas. Este reactor emplea la Fusión por Confinamiento Magnético (FCM), que se basa en que las partículas eléctricamente cargadas del plasma son confinadas por la acción de un campo magnético. En el interior de un tokamak, la energía resultante de la fusión de átomos se transforma en calor, el cual se absorbe en las paredes del recipiente. De manera análoga a una planta de energía convencional, una planta de fusión utilizará este calor para generar vapor, y posteriormente electricidad a través de turbinas y generadores.

Funcionamiento del toroide

El núcleo de un tokamak es su cámara de vacío con forma de donut. En su interior, sometido a condiciones de calor y presión extremas. Aquí, el hidrógeno gaseoso se convierte en plasma, el medio en el que los átomos de hidrógeno pueden fusionarse para producir energía. Las partículas cargadas del plasma pueden ser moldeadas y controladas mediante las enormes bobinas magnéticas dispuestas alrededor de la vasija. Los científicos aprovechan esta propiedad crucial para mantener el plasma caliente alejado de las paredes del recipiente.

Concepto artístico del reactor tokamak del ITER

Participantes y Objetivos

El proyecto ITER representa una colaboración entre 35 países, que se agrupan en siete miembros principales: China, la Unión Europea, Japón, Corea del Sur, Rusia y Estados Unidos. Desde la firma del Acuerdo para su desarrollo en 2006, estos miembros han asumido el compromiso de compartir los costos asociados a la construcción, operación y eventual desmantelamiento del proyecto, así como de compartir los resultados experimentales y cualquier propiedad intelectual generada en el proceso.

Líneas futuras de trabajo

Mientras que en ITER se centran en la generación de energía a partir de una reacción de fusión, el siguiente paso que se pretende es el de generar directamente electricidad. En este nuevo campo entran en acción las centrales de demostración de la fusión, las DEMO. Cabe mencionar que el diseño de una planta de este tipo debe tener en cuenta no sólo los requisitos físicos, sino también las limitaciones técnicas y tecnológicas. Estas averiguaciones aún no están finalizadas, pero plantean un futuro más que prometedor al ser que el esfuerzo lo realizan conjuntamente multitud de países.

Imagen conceptual sobre reactor nuclear generando electricidad. Fuente: EUROFusion.

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