Este curso introductorio aborda conceptos de energía sustentable y describe tecnologías avanzadas que pueden sustituir progresivamente las actuales dominadas por el carbón, el petróleo y gas natural, cuyas emisiones está perturbando progresivamente el clima, lo que puede afectar el desarrollo y la convivencia internacional. Este curso ilustra los impactos que provoca la transformación de energía para estimular el desarrollo de cambios en las formas y tecnologías de producción y uso de la energía, comprendiendo su origen físico, sus desafíos, compromisos y externalidades. Se estudia la evolución del clima global y los escenarios que se contemplan. En base a ellos, se promueve la adopción de recursos naturales de larga autonomía, cuya transformación emite el mínimo impacto ambiental y climático y cuyas tecnologías son posibles de implementar a costos abordables para la sociedad, considerando que un sexto de la población global aún no accede a la electricidad ni a otros servicios energéticos esenciales para su desarrollo. Se proponen soluciones efectivas para la mitigación del cambio climático y se enuncian opciones aún en estudio.
Fusión nuclear
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From the course by Pontificia Universidad Católica de Chile
Explorando la Energía Sustentable
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Tecnologías sustentables
En este módulo estudiarás los fundamentos detrás de las tecnologías para la producción de energía nuclear y energías renovables no convencionales (ERNC). Podrás evaluar y comparar las fortalezas y debilidades de cada una de estas tecnologías en cuanto a su impacto ambiental y su potencial de generación eléctrica.
Meet the Instructors
Julio VergaraPhD in Nuclear Materials Engineering
Profesor Asociado Adjunto de la Escuela de Ingeniería UC.
César Sáez NavarreteDoctor en Ciencias de la Ingeniería
Departamento de Ingeniería Química y Bioprocesos
Bienvenidos a esta nueva sesión del curso de energías sustentables
mi nombre es Julio Vergara
profesor de la escuela de ingeniería UC,
en esta ocasión
se revisarán los sistemas de fusión nuclear,
para comprender los elementos de esta aplicación tecnológica
y conocer algunos proyectos y conceptos,
sabemos que ciertos isotopos de poca masa
como el hidrogeno, deuterio, Helio tres y otros.
Pueden integrarse o fusionarse y luego partirse
en elementos de mayor carga,
pero más livianos que sus precursores,
en el sol se convierten cuatro protones
a la vez en helio cuatro,
que entregaran 27 millones de electrón volts al medio
como energía cinética,
el proceso de fusión en el sol
es asistido por el calor que genera la repulsión
de iones de helio cuatro, resultantes del proceso
llevando el corazón a 15.7 millones de grados Celsius.
Por esta razón se llama fusión termonuclear,
los núcleos obtienen energía
a través de los enlaces nucleares, los núcleos
muy livianos como el hidrogeno, deuterio,
tienen menos energía de enlace relativa
la que bajos ciertas condiciones los hace propensos
a formar productos más pesados en el centro,
los productos de fisión tienen típicamente unos
cuatro nucleones con 7 millones de electrón volts
más de energía de enlace
por nucleón que sus precursores.
Esto confirma que la liberación de cuatro nucleones por siete
entrega unos 27 millones de electrón volts
es una reacción anaeróbica y sin carbono
por lo que tampoco forma CO2
que le instala como una posibilidad sustentable
para las necesidades de la sociedad futura,
la fusión termonuclear no es tan simple de ejecutar
tecnológicamente en la tierra,
para lo cual hay algunas razones.
En primer lugar,
hay muy poca gravedad,
incluso en el centro del planeta
para confinar protones,
ni siquiera júpiter podría hacer ese trabajo,
la fusión de protones es de baja densidad de energía,
el sol produce mucha energía
porque es un cuerpo gigante pero su densidad es muy pequeña,
solo 0.3 watts por metro cubico,
en escala relativa significa que para cargar
un teléfono celular necesitaría un mini sol
de un par de metros de diámetro y eso no cabe en un bolsillo.
Tal vez lo más notable
es excesivo tiempo para establecer la interacción
para formar deuterones
producidos a partir de protones,
se necesita millones de años
para iniciar la cadena PP
lo que no está en los tiempos de proyecto de ningún tipo,
por eso para reactores tecnológicos
con restricciones de espacio físico se requieren
combustibles como el deuterio y el tritio,
que se producen con técnicas industriales.
Hay otros combustibles más avanzados como en boro, o el helio tres,
con ciertas ventajas pero requieren
más desarrollo del reactor para que sean actos,
con escasa gravedad
se requieren otro métodos para vencer la repulsión electromagnética
de los isótopos livianos como el deuterio y el protón
-15 a 100 kilo electrón volts,
una vez logrado
el premio grande,
tres a 17 millones de electrón volts por fusión
como un gasto de solo decenas de kilo electrón volts.
Aunque se logra un poco más de la mitad
de los 27 que se producen en el sol,
el reactor terrestre debe lidiar con neutrones de muy alta energía,
pero no es algo insalvable si se usan materiales exóticos
como aleaciones martensíticas,
o ferriticas estabilizadas, aleaciones de vanadio
o con pósitos de carburo de silicio,
para una reacción rápida y efectiva,
se necesita acercar deuterio y tritio a distancia nuclear.
Que se logra con alta temperatura o acelerando una de las partículas,
aunque la gravedad es una forma de confinar
se descarta como solución tecnológica,
otra forma es acercar núcleo,
concentrando
radiación electromagnética intensa
sobre un pellet de deuterio o tritio
combinando mecanismos
en cualquiera de esos casos se forma helio cinco,
que se parte en helio cuatro y un neutrón de alta energía.
Que se lleva el 80% de la energía del proceso,
la pequeña diferencia de masa del helio cuatro,
más neutrón, menos las masas del deuterio y tritio
resulta en alta disponibilidad de energía cinetica
con la relación de Einstein en fusión es de
17.5 millones de electrón volts
libera mucha energía a pequeña escala siete ordenes de magnitud
más que un evento de combustible fósil convencional
y un décimo de la reacción de fisión de uranio.
Hay varias reacciones posibles, sin embargo,
no todas tienen la misma posibilidad de ocurrencia,
medida
por la sección eficaz
a diferentes energías
de la partícula incidente o de las partículas incidentes,
de las figuras se muestra que la reacción de mayor probabilidad
es de deuterio con tritio
que ocurre con energía de activación, de unos 100
kilo electrón volts,
esto requiere establecer unos 120 millones de grados,
lo que es perfectamente posible de alcanzar.
La siguiente reacción más simple es deuterio con helio tres,
a 400 millones de grados
a un posible lograr con tecnología vigente
pero es caro producir el combustible,
la siguiente mejor reacciónes es de deuterio, deuterio,
que necesita más de 1000 millones de grados,
la mejor reacción de todas, es la de protones con boro 11,
dado que no produce neutrones,
pero requiere de más de 1400 millones de grados.
Los primeros
reactores se basan en deuterio y tritio,
y con deuterio, deuterio, fase de pruebas
por la mejor sección de eficacia y temperatura,
después serán
o vendrán, el deuterio, deuterio,
que simplifica el manejo del combustible,
en cualquier caso, hay amplia disponibilidad de recursos
para producir el combustible,
el deuterio es abundante, está presente en el agua y por ende en el mar,
que lo hace virtual mente inagotable.
El tritio se produce irradiando uno de los isótopos de litio
también muy abundante,
hay varios modos de confinar el proceso de fusión
aparte del gravitatorio que no es viable,
está el confinamiento inercial y el confinamiento magnético,
con estos dos modos se es posible establecer
una reacción en un volumen finito
y aprovechar la energía que resulta,
el sistema de confinamiento inercial
se basa en comprimir repetidamente, pellet de deuterio y tritio
y tritio mediante haces compresivos.
Los pellets fusionan y entregan su energía radiante a la cámara fusión,
desde donde se retira el calor
a un sistema de conversión de energía
que puede ser una planta de
turbo generadores
un ejemplo
es el [inglés] national ignition facility de Lawrence Livermore
National lab en Estados Unidos,
este sistema no produce energía eléctrica, pero es capaz de producir
700 terawatts
o 100 veces toda la potencia
eléctrica mundial.
Pero durante 20 nano segundos
asistidos por 192 láseres de 27 kilojoules cada uno
que concentran luz en un pellet del tamaño de la punta de un lápiz
como se ve en la esquina superior izquierda,
una maquina parecida, pero de menor tamaño
es el Laser mega joule francés,
son instalaciones asociadas a los programas de defensa
de Estados Unidos y Francia respectivamente.
Los más difundidos y con mejores perspectivas
de ser maquinas generadoras de electricidad
son los sistemas de confinamiento magnético,
con varias configuraciones posibles,
entre otros el más común es el tokamak,
pero se han construido
toroides esféricos y extraleitors avanzados,
acá se ve un diagrama donde la instalación
tokamak que opero en el MIT.
El sistema de confinamiento magnético
se basa en establecer ciclos de reacciones en unas plasma ionizado
ionizado contenido en una cámara de fusión
mediante campos magnéticos,
el tokamak
incorpora una cámara de formar toroidal
con bobinas magnéticas toroidales,
poloidales y un interior
para un mejor funcionamiento,
las bobinas son reconductoras,
están bañadas con nitrógeno o helio líquido,
dentro de un criostato.
La energía radiante se recolecta en las paredes
del toroide y el calor se retira a una planta de turbo generadores
los productos de la fusión se descargan por un desviador inferior,
en este dibujo se muestra
más del sistema tokamak,
se aprecian las bobinas y el plasma contenido
dentro de la vasija que establecen un plasma circulatorio
y giratorio para mayor estabilidad
alejado de las paredes por el campo magnético.
Este cuadro muestra la pared interior
de la cámara de fusión del Join European Thorus Jet,
que es el reactor más potente de la actualidad,
ubicado cercad de Londres con más de 25 años de vida,
a la derecha se muestra el establecimiento del plasma,
el proyecto más importante en el presente es el
[inglés] International thermonuclear experimental reactor o ITER.
Es un proyecto multinacional
ideado a mediado de los años 80
que se construye en Cadarache Francia,
desde el año 2013
ITER producirá 500 Megawatts Térmicos,
sin generación eléctrica
es un proyecto de casi 20 millones de euros
acá se ve al lado un concepto PWR integrado
de 500 Megwatts térmicos o 190 Megawatts
eléctricos,
tendrá su primer plasma en el año 2025.
Esto es una vista del interior del edificio donde armaron el proyecto,
con una maqueta de lo que será el sistema de bobinas toroidales
todo este arreglo debe montarse
después dentro del criostato con helio líquido,
otro sistema de confinamiento magnético
sería el Stellarator, un sistema con una cámara simétrica
que permite un plasma estático evitando así las bobinas poloidales,
es un sistema complejo de construir y de diseñar,
este es el reactor Randentaine
7X operativo desde el año 2016 en Alemania.
Hay decenas de reactores de fusión experimentales
y otros conceptos en desarrollo comisiónales
y marginales,
la mayoría ha hecho inversiones millonarias
para alinearse al esfuerzo de Iter
para el avance de alguna de la áreas tecnológicas
más sensibles, por ejemplo, el reactor Tore Supra
fue modificado para dedicarse al estudio
de materiales del desviador
y ha sido rebautizado como West
en alusión al Tousteno,
el siguiente reactor de gran escala que se llama Demo
ya está en fase de diseño.
La fusión nuclear permitirá energía para millones de años
será más segura aun y más aceptada que la fisión nuclear,
tampoco tendrá emisiones de gases de efecto invernadero,
con un poco más de uso de suelo que la fisión,
Iter será más caro que el colisionador de adrones
y que varios reactores grandes de fisión,
es una apuesta para satisfacer grandes bloques
de energía sin la intermitencia de las renovables
que deben recurrir a fósiles como respaldo
que limita la mitigación renovable
pero sin la mala reputación de la fisión nuclear.
Es posible resumir y concluir
que la fusión tecnológica
produce calor a partir de isotopo livianos
cual del deuterio del tritio,
el deuterio está en el agua y el tritio se convierte de lito seis,
ya sean reactores dedicados como
en el mismo reactor de fusión
usando los neutrones de la reacción,
hay altas expectativas en este campo
en al punto de gastar mucho dinero en investigación y desarrollo
en Iter y en otros reactores
y en varios conceptos
algunos de ellos privados.
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