Índice
  1. Historia de la energía de fusión
  2. Funcionamiento
  3. Puntos a favor y en contra
  4. Energia de fusión en la actualidad
  5. Bibliografía

1.Historia de la energía de fusión

Introducción:
-La energía nuclear o energía atómica es la energía que se libera espontánea o artificialmente en las reacciones nucleares. Sin embargo, este término engloba otro significado, el aprovechamiento de dicha energía para otros fines, tales como la obtención de energía eléctrica, térmica y mecánica a partir de reacciones atómicas, y su aplicación, bien sea con fines pacíficos o bélicos.
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En 1986 Becquere descubrió que algunos elementos químicos emitían radiaciones.Tanto él como Marie Curie y otros estudiaron sus propiedades, descubriendo que estas radiaciones eran diferentes de los ya conocidos Rayos X y que poseían propiedades distintas, denominando a los tres tipos que consiguieron descubrir alfa,beta y gamma.
Pronto se vio que todas ellas provenían del núcleo atómico que describió Rutherford en 1911.
Con el descubrimiento del neutrino, partícula descrita teóricamente en 1030 por Pauli pero no detectada hasta 1956 por Clyde Cowany sus colaboradores, se pudo explicar la radiación beta.
En 1932 James Chadwick descubrió la existencia del neutrón que Pauli había predicho en 1930 e inmediatamente después Enrico Fermi descubrió que ciertas radiaciones emitidas en fenómenos no muy comunes de desintegración eran en realidad estos neutrones.
Durante los años 1930, Fermi y sus colaboradores bombardearon con neutrones más de 60 elementos, entre ellos 235U, produciendo las primeras fisiones nucleares artificiales. En 1938, en Alemania,Lise Meitner,Otto HahnyFritz Strassmann verificaron los experimentos de Fermi y en 1939 demostraron que parte de los productos que aparecían al llevar a cabo estos experimentos con uranio eran núcleos de bario. Muy pronto llegaron a la conclusión de que eran resultado de la división de los núcleos del uranio. Así se había llevado a cabo el descubrimiento de la fisión.
En Francia,Joliot Curie descubrió que además del bario, se emitían neutrones secundarios en esa reacción, haciendo factible la reacción en cadena.

Hasta el principio del S.XX no se entendió la forma en que se generaba energía en el interior de las estrellas para contrarrestar el colapso gravitatorio de estas. No existía reacción química con la potencia suficiente, y la fisión tampoco era capaz. En 1938 Hans Bethe logró explicarlo mediante reacciones de fusión, con el ciclo de CNO1
para estrellas muy pesadas. Posteriormente se descubrió el ciclo protón-protón para estrellas de menor masa, como el Sol.

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Ciclo CNO




En los años 1940, como parte del proyecto Manhattan, se estudió la posibilidad del uso de la fusión en la bomba nuclear. En 1942 se investigó la posibilidad del uso de una reacción de fisión como método de ignición para la principal reacción de fusión, sabiendo que podría resultar en una potencia miles de veces superior. Sin embargo, tras finalizar la Segunda Guerra Mundial, el desarrollo de una bomba de estas características no fue considerado primordial hasta la explosión de la primera bomba atómica rusa en 1949, RDS-1 o Joe-1. Este evento provocó que en 1950 el presidente estadounidense Harry S. Truman anunciara el comienzo de un proyecto que desarrollara la bomba de hidrógeno. El 1 de noviembre de 1952 se probó la primera bomba nuclear , con una potencia de 10,4 megatones. El 12 de agosto de 1953 la Unión Soviética realiza su primera prueba con un artefacto termonuclear (su potencia alcanzó algunos centenares de kilotones).
Las condiciones que eran necesarias para alcanzar la ignición de un reactor de fusión controlado, sin embargo, no fueron derivadas hasta 1955 por John D. Lawson. Los criterios de Lawson definieron las condiciones mínimas necesarias de tiempo, densidad y temperatura que debía alcanzar el combustible nuclear (núcleos de hidrógeno) para que la reacción de fusión se mantuviera. Sin embargo, ya en 1946 se patentó el primer diseño de reactor termonuclear. En 1951 comenzó el programa de fusión de Estados Unidos, sobre la base del
stellarator2

En el mismo año comenzó en la Unión Soviética el desarrollo del primer Tokamak, dando lugar a sus primeros experimentos en 1956. Este último diseño logró en 1968 la primera reacción termonuclear cuasi-estacionaria jamás conseguida, demostrándose que era el diseño más eficiente conseguido hasta la época. ITER, el diseño internacional que tiene fecha de comienzo de sus operaciones en el año 2016 y que intentará resolver los problemas existentes para conseguir un reactor de fusión de confinamiento magnético, utiliza este diseño.


En 1962 se propuso otra técnica para alcanzar la fusión basada en el uso de láseres para conseguir una implosión en pequeñas cápsulas llenas de combustible nuclear (de nuevo núcleos de hidrógeno). Sin embargo hasta la década de los 70 no se desarrollaron láseres suficientemente potentes. Sus inconvenientes prácticos hicieron de esta una opción secundaria para alcanzar el objetivo de un reactor de fusión. Sin embargo, debido a los tratados internacionales que prohibían la realización de ensayos nucleares en la atmósfera, esta opción (básicamente microexplosiones termonucleares) se convirtió en un excelente laboratorio de ensayos para los militares, con lo que consiguió financiación para su continuación. Así se han construido el National Ignition Facility (NIF, con inicio de sus pruebas programadas para 2010) estadounidense y el Láser Megajoule (LMJ, que será completado en el 2010) francés, que persiguen el mismo objetivo de conseguir un dispositivo que consiga mantener la reacción de fusión a partir de este diseño. Ninguno de los proyectos de investigación actualmente en marcha predicen una ganancia de energía significativa, por lo que está previsto un proyecto posterior que pudiera dar lugar a los primeros reactores de fusión comerciales (DEMO para el confinamiento magnético e HiPER para el confinamiento inercial).

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Cápsula de combustible preparada para el reactor de fusión de confinamiento inercial NIF, rellena de deuterio y tritio




1:El ciclo CNO (carbono-nitrógeno-oxígeno) es una de las 2 reacciones nucleares de fusión por las que las estrellas convierten hidrógeno en helio.
2:El strellarator es un reactor experimental para fusión por confinamiento magnético(consiste en contener material en estado de plasma dentro de una botella magnética, que es un campo magnético al que le hemos dado una forma determinada para que las partículas positivas o negativas que componen nuestro plasma se queden dentro de dicha botella).



2.Funcionamiento

Para entender algo mejor el fenómeno hay que tener en cuenta que el átomo se compone de un núcleo central formado por protones, con carga positiva, y neutrones, que son neutros. Orbitando alrededor del núcleo se encuentran los electrones, cargados negativamente.
La fuerza nuclear fuerte es la fuerza fundamental que mantiene unido el núcleo, los protones y los neutrones. Los electrones, que tienen carga negativa, resultan atraídos hacia el núcleo por unas fuerzas eléctricas que son menos potentes que la fuerza nuclear fuerte.
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Choque a gran velocidad de deuterio y tritio

Para que pueda existir una reacción de fusión, dos átomos ligeros tienen que unir sus núcleos obteniendo como resultado un núcleo mayor. En este proceso se libera energía que proviene de la fuerza nuclear fuerte que unía el núcleo.
Para conseguir fusionar dos átomos hay que superar la fuerza de repulsión que ejercen los protones de los dos núcleos uno sobre el otro. Sólo si los dos núcleos se acercan lo suficiente pueden superar la cresta de repulsión. Esto se consigue haciéndoles chocar a gran velocidad y elevando la temperatura del reactor a unos 150 millones de grados.
A esas temperaturas los átomos se mueven a una velocidad tal que se separan en núcleos y electrones libres, pues dejan de estar unidos por la fuerza eléctrica que los unía. Este es el cuarto estado de la materia, denominado «plasma».
Para poder conservar esta altísima temperatura hay que evitar que el plasma choque contra las paredes del reactor. Par evitar estos choques se utilizan campos magnéticos. Con la ayuda de los campos magnéticos, las partículas del plasma seguirán las líneas magnéticas, como si fuesen guiadas por un carril. Para evitar que las partículas choquen con los extremos del reactor, científicos rusos inventaron el reactor “Tokamak”.
Un tokamak es un reactor de fusión de forma cilíndrica y anular (algo parecido a una rosquilla o la cámara de goma de una rueda de automóvil). Un tubo sin extremos rodeado exteriormente con unas bobinas que deben proporcionarle el campo magnético.
Dentro del tokamak la temperatura es muy alta: unos 150 millones de grados. Para que el reactor sea seguro necesita tener una presión baja para que la densidad del plasma también lo sea. Esto es algo que tecnológicamente puede ser complicado, pero es indispensable para el buen funcionamiento del reactor.
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Interior de un reactor de fusión "Tokamak"

En la fusión, se utiliza como combustible el deuterio y el tritio, que son isótopos del hidrógeno. El deuterio hay que fusionarlo con un átomo de tritio para obtener como resultado de esta reacción un neutrón, un átomo de helio y mucha energía, como resultado de la destrucción de la fuerza nuclear fuerte, del núcleo de los átomos del deuterio y el tritio.
Fusionando el litio se obtendría tritio y helio. Las reservas de litio en el planeta son muy abundantes, por lo que tendríamos tritio para miles de años.
El deuterio se obtiene del hidrógeno que existe en el agua, por lo que se convierte en una fuente casi inagotable de combustible. En un litro de agua hay 33 miligramos de deuterio y si lo fusionásemos con el tritio se obtendría una energía
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Tokamak en funcionamiento
comparable a 350 litros de gasolina.
En un reactor de fusión la presencia de tritio es un aspecto de seguridad importante, porque es un gas radiactivo que en estado natural tarda doce años en volverse innocuo. Artificialmente se produce en el interior del reactor a partir de litio, por ello no hay que transportarlo ya que se aprovecha lo producido en la central. Los únicos residuos radioactivos que se produciran son los originados por la activación de la pared del reactor como consecuencia de las reacciones con los neutrones producidos en la fusión. Esta radioactividad es de baja actividad por lo que tarda poco tiempo en desaparecer.

Funcionamiento de un reactor de fusión

En los reactores de fusión intervienen dos elementos principales para que se produzca la reacción de fusión de núcleos. Estos son el deuterio y el tritio.
D + T -> He + n
El mayor peligro que hay en una reacción de este tipo es la parte de neutrones que se producen. Pueden llegar a dañar la pared del reactor y hacer que se produzcan fisuras en el acompañadas de fugas radiactivas. Por eso se ha de encontrar la forma de trabajar con estos dos elementos de forma segura.
El deuterio es muy abundante en la naturaleza debido a la inmensa cantidad que se formo en el big bang. Se obtiene del hidrógeno que existe en el agua, por lo que podemos afirmar que el deuterio es un recurso prácticamente inagotable. En cambio el tritio al ser un elemento artificial, es u recurso muy escaso. Hay varias formas de producirlo: Podemos encontrar pequeñas cantidades de tritio en los residuos de una central de fisión nuclear. Pero este método no es sostenible e independiente. Se puede obtener tritio bombardeando átomos de litio con neutrones.
Li + n ->He + T
Descartamos este método por la peligrosidad que supone trabajar con neutrones. La ciencia ésta trabajando en encontrar un método de síntesis de tritio eficaz y seguro.
Otra forma de que se dé la reacción de fusión nuclear es haciendo chocar átomos de deuterio entre sí. Este método es mucho menos productivo porque la sección de choque entre estos dos átomos iguales es muy poco eficaz.
D + D = He + n
Y además volvemos al problema de los neutrones radiactivos peligrosos. Es por esto que la ciencia sigue trabajando para encontrar la forma de producir una reacción de fusión eficaz, sostenible y estable. Aun no se ha alcanzado la tecnología necesaria para controlar este proceso pero es claramente la fuente energética limpia y barata que la humanidad necesita.




3.Puntos a favor y en contra

Las ventajas que muestra la obtención de energía a través de la fusión nuclear son:

-No genera gases nocivos ni contaminantes y los residuos nucleares que produce son de muy baja actividad.
-Las materias primas necesarias para producir la fusión nuclear son abundantes, baratas y no radiactivas.
-Respecto a la seguridad, es intrínsecamente seguro. En el interior del reactor sólo hay combustible para los siguientes diez segundos, por lo que se puede detener la reacción dejando de alimentar al reactor, sin depender de un sistema externo de seguridad.
-Es una fuente prácticamente inagotable de energía.

Por el contrario, las desventajas:

-Se trata de tecnología en desarrollo, con lo cual inicialmente será costosa y tardará algunas décadas en estar consolidada.
-Para llegar a conseguir la fusión de los átomos es necesaria muchísima energía inicial.

Con la creciente demanda actual energética es necesario buscar nuevas formas de obtener energía que no produzcan tantos contaminantes como los combustibles fósiles. La fusión nuclear tiene capacidad para suplantar a éstos en un futuro.



4.Fusión nuclear en la actualidad

Las sociedades industrializadas actuales demandan y utilizan cantidades ingentes de energía destinadas a hacer funcionar las máquinas, transportar mercancías y personas, producir luz, calor o refrigeración. Su consumo ha ido creciendo continuamente paralelamente a los cambios de los hábitos de vida y las formas de organización social.
En la UE y para el año 2002 el consumo de energía final por sectores se repartió de la siguiente forma:
  • 40,3% para usos residenciales y comerciales.
  • 31,3% en el transporte.
  • 28,4 % en la industria.


Consumo de energía final por sectores en la UE en 2002
Consumo de energía final por sectores en la UE en 2002

Consumo de energía final por sectores en la UE en 2002.
Aunque una de las grandes propuestas para el siglo XXI esta siendo la energía de fusión nuclear que es la que se da en el Sol para generar el calor que nos permite vivir, podemos destacar primeramente que sería una fuente casi inagotable de electricidad. Paulatinamente se deberían ir sustituyendo los reactores de fisión por los nuevos de fusión, evitándose así los problemas de radioactividad.Aunque la energía nuclear de fusión, hoy por hoy, no es viable para generar electricidad y se encuentra en fase de desarrollo previo; no habrá posibilidad de levantar centrales nucleares de fusión, por lo menos hasta mediados del presente siglo.
Proyectos como el de la energía nuclear en frío o fusion en burbujas o "sonofusión" han sido clasificadas como los grandes avances en el campo de la energía de fusión pero por fines economicos y politicos estos proyectos no han resultado viables.

Estado actual
El proyecto ITER
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El Proyecto ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor: Reactor Termonuclear Experimental Internacional) es un consorcio internacional creado en 1.986 para desarrollar la tecnología de la fusión nuclear mediante un reactor Tokamak, que será construido en Cadarache (Francia), con un coste inicial de 10.300 millones de euros en 10 años. El proyecto ITER lo componen la Unión Europea, Rusia, Estados Unidos, Japón, China, Corea del Sur e India.
La idea es poder demostrar que la fusión nuclear para producir electricidad es factible.
ITER es una experiencia piloto para Europa y sus socios en el campo de la fusión por confinamiento magnético.

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Perspectivas de futuro
La investigación en fusión ha entrado en una fase en la cual la producción experimental de una potencia de fusión del orden de un gigavatio es un objetivo realizable. Para progresar en la investigación y desarrollo de reactores comerciales es importante cubrir esta etapa. En un futuro no demasiado lejano incluso podrían instalarse estos reactores, como ahora ocurre con los de fisión, en submarinos, naves espaciales, y también en aeronaves y vehículos terrestres. Quizás se puedan llegar a tener automóviles, camiones, trenes, autobuses...con motores de fusión


Maquina Z, energía de fusion
Maquina Z, energía de fusion

La envergadura y el coste de este experimento serán similares a los de cualquier instalación con una potencia de un gigavatio; el calendario para el estudio, construcción y explotación será similar al de cualquier megaproyecto.
Aunque sigue la esperanza de poder contar en el próximo siglo con la fusión termonuclear como fuente de energía necesaria para la humanidad.











Reportaje de la cadena TeleVisiónEspañola sobre la Energía de Fusión Proyecto ITER.














5.Bibliografía
http://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_fusion
http://www.energia-nuclear.net/es
http://www.rtve.es/alacarta/videos/informe-semanal
http://www.efda.org/
http://www-fusion.ciemat.es/New_fusion/es/
http://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_fusion