¿Cómo 'funciona' la energía de fusión? ¿Será viable alguna vez?

Si vamos a seguir avanzando como especie y consumiendo cada vez más energía por persona, entonces solo hay dos puntos finales posibles para la producción de energía humana, y ambos son fusión. O descubrimos cómo absorber y utilizar una gran parte de la energía que cae sobre la Tierra a partir de la enorme reacción de fusión distante de nuestro sistema solar (energía solar) o descubrimos cómo crear y mantener reacciones de fusión más pequeñas y manejables aquí mismo. en la Tierra (energía de fusión). En cualquier caso, la energía que posiblemente podría permitir que toda la población de la Tierra ascienda mucho más allá de un estilo de vida moderno del primer mundo está contenida en la composición misma del universo.



Primer principio: la materia y la energía son intercambiables y, en cierto sentido filosófico, son básicamente la misma cosa por completo. Einstein fue quien primero puso esta idea en forma matemática: la energía es igual a la masa multiplicada por la velocidad de la luz, al cuadrado (E = mc2). Recuerde que c, la velocidad de la luz, es un número finito, entonces c2 es un número finito también - absolutamente enorme uno. Entonces, sin necesitar demasiada educación matemática, podemos ver una cosa desde el principio: si esta ecuación es correcta, entonces solo una pequeña, diminuta parte de materia se corresponde con un todo, todo mucha energía.

fusión 2Tome dos protones (podemos pensar en ellos como núcleos del elemento con un protón, hidrógeno) y péselos. Ahora, fusione esos dos protones separados para formar un solo átomo de dos protones (un núcleo de helio) y pese este producto nuevamente. Lo que encontrará es que el producto de fusión pesa mucho, mucho, muy un poco menos que los protones individuales que entraron en él. Y como todos sabemos que la materia no se puede crear ni destruir, solo hay una explicación posible: esa cantidad infinitesimalmente pequeña de materia perdida se ha convertido en una asombrosa cantidad de energía.



Básicamente, esa energía se libera en forma de calor. En principio, deberíamos poder utilizar esta energía de la misma manera que lo hacemos con casi cualquier otro tipo de fuente de calor: hervir agua para producir vapor para hacer girar una turbina para producir electricidad. El problema es superar todos los impedimentos prácticos para hacerlo realmente.

JET

Aquí está el tokamak en el laboratorio de fusión JET en el Reino Unido, una versión más pequeña del destinado a ITER



El primer problema con la energía de fusión es la fusión en sí: ¿cómo lo hacemos? Hay varias formas, pero las más simples no son en absoluto útiles para la producción de energía; un dispositivo termonuclear activa una bomba de fusión mediante el uso de la fuerza explosiva de una pequeña bomba de fisión, por ejemplo, pero bombardear nuclearmente una pastilla de combustible de hidrógeno no es una opción sostenible para la generación de energía. Por otro lado, ya podemos forzar de manera segura y confiable la fusión entre átomos individuales en aceleradores de partículas de alta potencia, pero fusionar solo dos átomos individuales en uno no liberará el volumen de energía que necesitamos. Los aceleradores de partículas no están estructurados para recolectar calor como energía, en cualquier caso.

La radiografía

La “máquina Z” de rayos X estudia los problemas de fusión para Sandia National Labs.

Entonces, el desafío de crear la fusión ha llevado a dos escuelas de pensamiento principales: o usamos la fuerza física simple para colapsar una muestra de hidrógeno tan poderosa y rápidamente que los átomos en el centro comienzan a fusionarse (llamado confinamiento inercial ), o utilizamos imanes de alta potencia para contener la muestra de hidrógeno a medida que la calentamos más y más para crear una fusión a través de una simple entrada de energía (llamada confinamiento magnético ). El confinamiento inercial tiene que crear su fuerza implosiva con baterías de láseres de alta tecnología, o incluso enormes martillos mecánicos, mientras que el confinamiento magnético requiere plataformas tokamak magnéticas igualmente delicadas y costosas.

En ambos casos, el desafío no es realmente crear fusión, sino sostenerla. La primera reacción de fusión, creada por nosotros, tiene que liberar suficiente energía y hacerlo de tal manera que provoque más reacciones de fusión en la muestra, que a su vez provoquen más reacciones de fusión, y así sucesivamente. Esta es básicamente la reacción en cascada que continúa incontrolablemente en una bomba termonuclear, pero esta vez en una forma que se puede controlar, principalmente porque ocurre en una pastilla de combustible que pesa solo una millonésima parte de la que cargamos en una bomba de hidrógeno.



Planta de energía nuclear

En este momento, los esquemas de energía de fusión se mantienen básicamente en el mismo lugar: obtener más energía de una reacción de fusión de la que necesitamos insertar para mantener esa reacción. Dicho de otra manera, el desafío es aprender a crear fusión con poca energía. en que la energía que obtenemos fuera todavía se puede utilizar para generar cierta cantidad neta de electricidad. Todos los reactores de investigación modernos pueden crear fusión, y la mayoría incluso puede sostenerla hasta cierto punto, pero actualmente todos tienen que gastar mucha más electricidad para hacerlo de la que su reacción de fusión podría generar.

Un enfoque basado en láser (inercial) se las arregló para obtener más energía de una reacción de fusión que el combustible de fusión absorbió , sin embargo, el combustible de fusión solo absorbió una pequeña fracción de la cantidad total de energía láser que le dispararon, lo que sigue siendo un gran hito, pero solo uno de los dos que necesitarán pasar para generar su primer julio de electricidad neta.

Esto no

Esto no sería un problema con la fusión ...



Si alguna vez lo hiciéramos funcionar, las ventajas de la energía de fusión serían enormes. La energía de fusión utiliza como combustible isótopos de hidrógeno, que no necesita extraerse del suelo. No libera carbono en el aire ni otros contaminantes atmosféricos de ningún tipo. Una planta de fusión tampoco produciría subproductos tóxicos de larga duración que deban eliminarse.

Al igual que un reactor de fisión, los reactores de fusión necesitarían estar fuertemente blindados para contener la radiación que produce la reacción, pero a diferencia de un reactor de fisión, no tendríamos que preocuparnos demasiado por las explosiones. Los isótopos de hidrógeno pesado utilizados para crear la fusión no son inherentemente muy radiactivos cuando están allí, como lo son el uranio, el plutonio y el torio, por lo que no tenemos que preocuparnos tanto si se esparcen accidentalmente en un radio de un par de kilómetros. El tritio puede ser un poco peligroso si ingresa al cuerpo a través del aire, los alimentos o el agua, pero su vida media en el cuerpo es muy corta y solo la exposición crónica probablemente causaría problemas médicos reales.

Entonces, todavía esperamos avances en la fusión. Podría ser una fuente de abundancia casi infinita para la humanidad. Todavía no sabemos cuánto costaría construir un reactor final, o qué tan bajo podríamos reducir los costos de producción de combustible. Pero solo los humanos podemos aprender a tener una estrella como mascota y a hacerlo lo más barato posible.

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