La creciente necesidad de
energía ha impulsado la innovación tecnológica de la humanidad, el Sol como
fuente infinita y poderosísima de energía a permitido la vida en nuestro
planeta y es fuente de inspiración para gran parte de las energías alternativas
que hoy están evolucionando, la energía fotovoltaica descompone la luz en
electrones que luego son aprovechados, las corrientes de aire mueven grandes
generadores que convierten la energía cinética en energía eléctrica, las
plantas crecen y son aprovechados sus productos como combustibles, estas son
algunas de las manifestaciones energéticas provenientes de la influencia del
astro rey que son usadas por el hombre como fuentes de energía.
La promesa en los
generadores tipo Tokamak está impulsando esfuerzos de hombres y mujeres
talentosos alrededor del mundo en estos momentos, además de la inversión de cuantiosas
cantidades de dinero y recursos de muchos países, en lo que podría ser la
respuesta a las inagotables necesidades de energía, los investigadores buscan
replicar el poder del Sol en los laboratorios a fin de crear energía limpia y
accesible y poder preservar la existencia en el planeta.
Este tipo de energía presenta innumerables beneficios
tanto económicos como medioambientales que superan en mucho a otros tipos de
energía ya presentes, pero de igual manera y en su contra está el hecho que aun
se encuentra en fase de desarrollo y experimental, lo cual la limita de manera
práctica y factible en estos momentos, sin que esto signifique que deja de
tener su importancia como deseable fuente de energía del futuro.
Definición de un reactor tipo Tokamak
La palabra Tokamak es un
acrónimo en lengua rusa proveniente de la definición descriptiva del aparato,
cuyo nombre al español sería el de “cámara toroidal con bobinas magnéticas”.
Este es un tipo de reactor
cuyo objetivo es la fusión de partículas de plasma super calientes que generan
grandes cantidades de energía, y funciona uniendo dos partículas ligeras en una
más pesada y estable en una reacción termonuclear de fusión.
Su forma es de tipo toroidal
y hueca, similar a una dona, rodeada de potentes electroimanes que confinan el
plasma caliente en su interior sin tocar ni comprometer las paredes del
contenedor.
En su interior el plasma puede alcanzar las
exorbitante temperaturas de unos 150 millones de grados centígrados lo que se
convierte en un limitante a la hora de elegir materiales de contención ya que
ninguno soportaría tal calor, por lo tanto se requiere un potente campo
electromagnético que mantenga al plasma alejado de las paredes del reactor.
La reacción
estaría definida por la equivalencia de Einstein de 
lo que explicaría la energía que se puede
obtener de este proceso.
lo que explicaría la energía que se puede
obtener de este proceso.
Los generadores de tipo Tokamak fueron creados en 1956 en
el Instituto de Energía Atómica Kurchatov de la Academia de Ciencias de la
URSS, por los físicos Igor Tam y Adrei Sajarov inspirados por las ideas de Oleg
Lavrentiev, el primer reactor experimental consistió en una cámara al vacio con forma
toroidal donde se contenía hidrógeno, el que se ionizaba hasta el nivel de
plasma a elevadas temperaturas.
Posteriores desarrollos han logrado ampliar aun más los
tiempos y calidad de la reacción logrando avances en la tecnología.
Desarrollo de la tecnología
Como se dijo anteriormente su creación data de los años
50 en la URSS en los laboratorios del Instituto de Energía Atómica Kurchatov
con la creación del T1 el primer reactor de fusión que se creó, posteriormente
en 1969 científicos británicos fueron enviados para presenciar el potencial de
este tipo de tecnología, allí presenciaron a el T-3 un modelo aun más
desarrollado.
En 1985 durante
la cumbre de Ginebra, la URSS propuso la unión de esfuerzos entre Estados Unidos, Japón y Europa para el
desarrollo conjunto de un reactor, ya que en estos países se poseían los
mayores adelantos en este sector, lamentablemente poco después sucedió la
tragedia de la planta nuclear de Chernóbil lo cual paralizó el proyecto.
Para 1991 los adelantos en
el desarrollo de este tipo de reactores permitieron obtener la primera fusión
de la historia en el reactor Tokamak JET de la Joint European Torus en Culham
Reino Unido, logrando producir 1.8 megavatios cada 2 segundos.
En 1993 en Princeton se logró
también generar una fusión en el reactor TFTR (Tokamak Fusión Test Reactor)
otra variante del Tokamak original soviético.
El 21 de mayo de 2000 se obtiene un importante avance en
el desarrollo del reactor cuando científicos Estadounidenses anuncian haber
superado un problema persistente en esta clase de generadores, el fenómeno
llamado modos localizados en el borde o ELM en ingles, lo que provocaba la
descomposición del núcleo del reactor y por consiguiente la corta vida útil del
mismo.
En el año 2006 se
firma el acuerdo para la construcción del ITER el proyecto más ambicioso de su
tipo hasta la actualidad, este proyecto está financiado por la Unión Europea,
Japón, Estados Unidos, Corea del Sur, la India, Rusia y China y se encuentra
ubicado en Cadarache al suroeste de Francia, estimando su costo en unos 4.570
millones de euros y unos 10 años para la culminación del mismo.
Funcionamiento
Como se aprecia en
la imagen los dos elementos, el deuterio y el tritio, se unen formando un
tercer elemento en este caso el Helio (He4) y liberando un neutrón junto con
energía y luz.
Para que se realice esta fusión los elementos deben
unirse, para ello se deben calentar a una temperatura superior a los 150
millones de grados centígrados y colisionarse a gran velocidad, en estas
condiciones de temperatura y velocidad, los núcleos se separan de sus
electrones y producen el cuarto estado de la materia que es el plasma, este es
el estado en el que se encuentra la materia en la superficie del Sol, al
alcanzar este estado el plasma debe ser contenido para evitar su enfriamiento y
el fin de la reacción, por ello se usan campos magnéticos que canalizar hacia
el centro del reactor el flujo plasmático, también las fuerzas electromagnética
sirve de canal que dirige el movimiento del mismo y evita que se desprenda
siguiendo las líneas magnéticas.
Los componentes del reactor funcionan conjuntamente para
mantener la temperatura y garantizar el alcanzar el punto crítico de la fusión
que se encuentra a temperaturas elevadísimas. El
campo magnético de un Tokamak se encuentra constituido por un Solenoide
Central que es un superconductor que induce la corriente en el plasma, una Bobina Toroidal superconductora que
mantiene al plasma en el interior del reactor y lo estabiliza, esta se
encuentra enrollada en espiral alrededor del toroide del reactor, una Bobina Poloidal que también ayuda al
posicionamiento y confinamiento del plasma en el toroide y se ubica
externamente al reactor y de manera longitudinal al toroide, una Cámara de Vacio que mantiene al plasma
y sus elementos radioactivos como el tritio a lo interno del reactor y Transformadores que alimentan de
energía a los diferentes sistemas y bobinas.
Una vez estabilizada la operación del reactor, la forma en que esta fuente de
energía se vuelve electricidad es muy sencilla y nada diferente a como se
realiza en los reactores de fisión nuclear tradicionales o las plantas termoeléctricas
comunes, como se muestra en la siguiente figura, se dispone a lo interior del Tokamak
de intercambiadores de calor que extraerían esa energía residual a lo externo
para la producción de vapor y el movimiento de turbinas conectadas a grandes
dinamos que transformen la energía cinética en energía eléctrica, que posteriormente
se suministraría a las redes de distribución comunes.
Según estimaciones del proyecto ITER, para ser viable este sistema de generación
tendría que producir al menos 500 Megavatios por un tiempo considerable,
estimando que para el año 2040 este tipo de reactor produzca más de 10 veces la
energía que requiere para ser funcional.
Combustible
Los reactores
Tokamat se caracterizan por el uso de elementos para su operación de fusión muy
comunes y abundantes como el Deuterio H²
y Trítio H³, su plasma está compuesto de un 50%-50% de ambos elementos, la
misma naturaleza de estos elemento hace que su funcionamiento sea muy seguro
debido a que estos no reaccionan de manera violenta en el caso de algún
accidente o malfuncionamiento del reactor, el mismo al deterner el suministro
de su combustible, para de manera inmediata y su radiación resultante es baja y
se dispersa en pocos años en comparación a la emitida por los tradicionales
reactores de fisión nuclear, lo cual hace que sea seguro y medioambientalmente
limpio.
Otro combustible
que también se pudiera usar en este tipo de reactores es el Litio (Li) del cual se obtendría Tritio
(H³) y Helio (H4), las reservas de Litio son muy abundantes en el planeta lo
que garantizaría miles de años de suministro para este tipo de reactor.
El Deuterio (H²)
se obtiene del hidrógeno del agua, se estima que en un litro de agua se
encuentran 33 mg de Deuterio si este se fusiona con Tritio se alcanzaría una
energía comparable a 350 litros de gasolina.
El Helio 3 (He³) sería otro de los combustibles promisorios para los
reactores Tokamak en el futuro, en la Luna
se encuentran importantes depósitos de este elemento que ha sido arrojado allí
por el Sol durante toda la existencia de nuestro sistema solar, debido a la
ausencia de un campo magnético fuerte, como el que posee la tierra, y que
permite que los vientos solares lo transporten hasta ahí, la importancia de
este isotopo es que no es radioactivo él ni sus productos de desecho.
Otro elemento a
favor es que la explotación de este elemento en la Luna ha despertado el interés de varios países como la India, EEUU y empresas privadas que desean realizar
actividades mineras en el satélite, lo cual podría despertar un nuevo deseo de
colonización espacial, utilizando a esta como el punto de partida para una
nueva fase de exploración de nuestro sistema solar al poder proveer a futuras
naves del combustible necesario para sus travesías. Además de la Luna, Jupiter también es un planeta
rico en este recurso y también podría planearse su explotación minera.
Otro combustible
que puede ser usado es el Boro (Br) para hacerlo reaccionar con Helio 3 (He³)
el cual requiere de unos avances aun mayores y exigentes que los que se pueden
producir con una reacción de Deuterio y Tritio.
Proyectos de tipo Tokamat en la actualidad
Joint European Torus (JET)
Es el más grande
reactor que existe en la actualidad, está localizado en una vieja base de la
RAF en Culham, Oxford, Reino Unido, este ha permitido grandes avances en el
desarrollo de los reactores tipo Tokamat permitiendo que muchos de sus
adelantos sean aplicables en el reactor de ITER, su construcción fue iniciada
en 1978 y su comienzo de operaciones en 1983, en 1991 logra un importante valor
de producción de energía de 1.7 Megavatios, superado posteriormente en 2004,
para ese momento el reactor logró una eficiencia de Q=0.7 que es el equivalente
entre la energía consumida y la energía producida, siendo el punto optimo un Q=
≥1 para considerarse viable y autosuficiente, en ese momento se produjeron 16
Megavatios pero se consumieron 22.8 Megavatios, lo que evidencia la inviabilidad
del generador.
El JET opero hasta el
año 2004 con la promesa de realizarle unas remodelaciones que permitirían
aumentar su potencia hasta los 40 Megavatios
El High Beta Fusion Reactor
Este tipo de reactor ha sido diseñado por un equipo de la
Lockheed Martin´s liderado por Chales
Chase y cuya configuración y tamaño reducido ha permitido un desarrollo rápido
del mismo, fue presentado en febrero de 2013 en un foro auspiciado por Google
llamado Solve for X, en el cual se buscan alternativas innovadoras para el desarrollo
de la humanidad.
La más notable característica de este
reactor es su tamaño, y en torno a ello la compañía dice que podría caber "on
the back of a truck" y producir
unos 100 Megavatios, suficiente para una pequeña ciudad de unos 80.000
habitantes.
Su funcionamiento se basa en utilizar poderosos espejos
magnéticos que reflejarían al interior el magnetismo necesario para contener el
plasma controlado y que requeriría una carga de energía menor para su
funcionamiento, su tamaño sería entre uno y dos metros cuadrados, similar al
tamaño de una turbina o un motor convencional.
Debido a su reducido
tamaño propiciaría de una manera más adecuada las interacciones entre las
colisiones de los átomos favoreciendo todo el proceso, este diseño ha tenido
gran interés en la NASA que lo ve como la solución para los viajes espaciales
del futuro, además de poder ser usado como fuente de energía para todo tipo de
vehículo de la actualidad como barcos, aviones, etc.
The Polywell Nuclear
Reactor
Este es una reactor experimental que utiliza átomos de
Boro e Hidrógeno como su combustible, en una reacción llamada p-B11 de la cual
se desprendería electrones y Helio, ambos productos inicuos y no radioactivos.
El diseño del reactor se basa en un poliedro de forma cubica de bobinas electromagnéticas que producen un campo de repulsión magnético al interior del generador, el cual mantiene en el interior al plasma super caliente que libera electrones y Helio en el proceso, otras bobinas externas se encargan de recoger la gran cantidad de electrones resultantes y transformarlo en fluido eléctrico. Al igual que sus reactores hermanos el Polywell requiere pequeñísimas cantidades de combustible que además es igualmente inagotable, pero que debido a limitaciones en materiales y desarrollo aun se encuentra en fase experimental.
Conclusiones
A pesar de que aun no
se ha llegado a la estabilización en los procesos de fusión en los distintos
generadores experimentales, estos tienen un gran potencial, por ello es que no
desaniman los investigadores e instituciones que han invertido gran cantidad de
recursos para buscar su
perfeccionamiento ya que las ventajas que a nivel global pueden traer el
perfeccionamiento y la viabilidad de estos sistemas es vital para la
permanencia de la vida en el planeta.
Energía limpia e
inagotable como la del Sol es el sueño de muchos ecologistas que ven con
preocupación que durante los últimos 200 años el desarrollo de la humanidad ha traído
consigo un deterioro de la calidad de vida de las personas y del medioambiente,
el desarrollo de este tipo de generadores traería una era de reparo y
rehabilitación del medioambiente que no se alcanzado pese a muchos esfuerzos y
toma de conciencia colectiva.
La unión de esfuerzos
de parte de gran cantidad de países y la enorme disposición de recursos
financieros da evidencia de la fe que de los sistemas tipo Tokamak posee la
comunidad científica sobre la viabilidad de dichos sistemas, con cada nuevo
experimento se van mejorando procesos y resultados, acercando aun más la fecha
en la cual la humanidad pueda contar con una cantidad ilimitada de energía para
su provecho, abandonando casi definitivamente las fuentes contaminantes de
generación de energía.
El desarrollo de este
tipo de tecnología abriría una nueva era en cuanto al transporte y a la
locomoción, ya que el valor de la energía eléctrica disminuiría a tal punto que
las fuentes de combustible fósiles se harían obsoletas o de muy poco interés
práctico.
Bibliografía
·
ABC.es, La súper máquina que fabrica la energía de fusión nuclear, artículo
en línea, disponible en: http://www.abc.es/ciencia/20130707/abci-supermaquina-fabrica-energia-fusion-201307062226.html
·
ESA.org, Helium 3
mining on the lunar surface, artículo en línea, http://www.esa.int/Our_Activities/Preparing_for_the_Future/Space_for_Earth/Energy/Helium-3_mining_on_the_lunar_surface
·
Lawrence Livermore National Laboratory, Empowering
Light—Historic Accomplishments in Laser Research, documento en línea,
disponible en: http://web.archive.org/web/20041109063036/http://www.llnl.gov/50science/lasers.html
·
Nextbigfuture.com, New
Google Solve for X - Lockheed Skunkworks Working on Compact 100 MW Nuclear
Fusion and targets 2018 for full scale prototype and 2023 for Commercial system,
artículo
en línea, disponible en: http://nextbigfuture.com/2013/02/new-google-solve-for-x-lockheed.html
·
Polywellnuclearfusion.com, The
Polywell Nuclear Reactor, página web informative, disponible en: http://www.polywellnuclearfusion.com/PolywellReactor/PolywellReactor.html
·
The Engineer.co.uk, New details on compact fusion reveal scale
of challenge, documento en línea, disponible en: http://www.theengineer.co.uk/news/news-analysis/new-details-on-compact-fusion-reveal-scale-of-challenge/1019393.article#ixzz3eVqNnT9F
·
Wikipedia.org, Reactores de fusión nuclear, documento en línea, disponible en: https://es.wikipedia.org/wiki/Reactores_de_fusi%C3%B3n_nuclear#cite_note-9
·
Wikipedia.org, National Ignition Facility, documento en línea, disponible en: https://en.wikipedia.org/wiki/National_Ignition_Facility
No hay comentarios:
Publicar un comentario