Té futur l'energia termonuclear?

2024 Autora: Seth Attwood | [email protected]. Última modificació: 2023-12-16 16:00

Durant més de mig segle, els científics intenten construir a la Terra una màquina en la qual, com a les entranyes de les estrelles, es produeixi una reacció termonuclear. La tecnologia de fusió termonuclear controlada promet a la humanitat una font gairebé inesgotable d'energia neta. Els científics soviètics van ser a l'origen d'aquesta tecnologia, i ara Rússia està ajudant a construir el reactor de fusió més gran del món.

Les parts del nucli d'un àtom es mantenen juntes per una força colossal. Hi ha dues maneres d'alliberar-lo. El primer mètode és utilitzar l'energia de fissió de grans nuclis pesats de l'extrem més allunyat de la taula periòdica: urani, plutoni. A totes les centrals nuclears de la Terra, la font d'energia és precisament la desintegració dels nuclis pesats.

Però també hi ha una segona manera d'alliberar l'energia de l'àtom: no dividir, sinó, al contrari, combinar els nuclis. Quan es fusionen, alguns d'ells alliberen encara més energia que els nuclis d'urani fissils. Com més lleuger sigui el nucli, més energia s'alliberarà durant la fusió (com diuen, la fusió), de manera que la manera més eficaç d'obtenir l'energia de la fusió nuclear és forçar els nuclis de l'element més lleuger -hidrogen- i els seus isòtops a fusionar-se..

Estrella de la mà: professionals sòlids

La fusió nuclear es va descobrir a la dècada de 1930 estudiant els processos que tenen lloc a l'interior de les estrelles. Va resultar que les reaccions de fusió nuclear tenen lloc dins de cada sol, i la llum i la calor són els seus productes. Tan bon punt això va quedar clar, els científics van pensar com repetir el que passa a les entranyes del Sol a la Terra. En comparació amb totes les fonts d'energia conegudes, el "sol de la mà" té una sèrie d'avantatges indiscutibles.

En primer lloc, l'hidrogen ordinari serveix com a combustible, les reserves del qual a la Terra duraran molts milers d'anys. Fins i tot tenint en compte que la reacció no requereix l'isòtop més comú, el deuteri, n'hi ha prou amb un got d'aigua per subministrar electricitat a un petit poble durant una setmana. En segon lloc, a diferència de la combustió d'hidrocarburs, la reacció de fusió nuclear no produeix productes tòxics, només el gas neutre heli.

Avantatges de l'energia de fusió

Subministraments de combustible gairebé il·limitats. En un reactor de fusió, els isòtops d'hidrogen -deuteri i triti- funcionen com a combustible; també podeu utilitzar l'isòtop heli-3. Hi ha molt deuteri a l'aigua de mar: es pot obtenir per electròlisi convencional i les seves reserves a l'oceà mundial duraran uns 300 milions d'anys a la demanda actual d'energia de la humanitat.

Hi ha molt menys triti a la natura, es produeix artificialment en reactors nuclears, però es necessita molt poc per a una reacció termonuclear. Gairebé no hi ha heli-3 a la Terra, però n'hi ha molt al sòl lunar. Si algun dia tinguem energia termonuclear, probablement serà possible volar a la Lluna com a combustible.

Sense explosions. Es necessita molta energia per crear i mantenir una reacció termonuclear. Tan bon punt s'atura el subministrament d'energia, la reacció s'atura i el plasma escalfat a centenars de milions de graus deixa d'existir. Per tant, un reactor de fusió és més difícil d'encendre que apagar.

Baixa radioactivitat. Una reacció termonuclear produeix un flux de neutrons que s'emeten des de la trampa magnètica i es dipositen a les parets de la cambra de buit, fent-la radioactiva. En crear una "manta" especial (manta) al voltant del perímetre del plasma, desaccelerant els neutrons, és possible protegir completament l'espai al voltant del reactor. La manta en si es torna inevitablement radioactiva amb el temps, però no per molt de temps. Deixant-lo reposar durant 20-30 anys, podeu tornar a obtenir material amb una radiació de fons natural.

No hi ha fuites de combustible. Sempre hi ha un risc de fuites de combustible, però un reactor de fusió requereix tan poc combustible que fins i tot una fuita completa no amenaça el medi ambient. Per posar en marxa ITER, per exemple, només caldria uns 3 kg de triti i una mica més de deuteri. Fins i tot en el pitjor dels casos, aquesta quantitat d'isòtops radioactius es dissiparà ràpidament a l'aigua i l'aire i no causarà cap dany a ningú.

Sense armes. Un reactor termonuclear no produeix substàncies que es puguin utilitzar per fabricar armes atòmiques. Per tant, no hi ha perill que la propagació de l'energia termonuclear condueixi a una carrera nuclear.

Com encendre el "sol artificial", en termes generals, ja va quedar clar als anys cinquanta del segle passat. A banda i banda de l'oceà es van realitzar càlculs que fixaven els principals paràmetres d'una reacció de fusió nuclear controlada. Hauria de tenir lloc a una temperatura enorme de centenars de milions de graus: en aquestes condicions, els electrons es treuen dels seus nuclis. Per tant, aquesta reacció també s'anomena fusió termonuclear. Els nuclis nus, xocant entre ells a velocitats vertiginoses, superen la repulsió de Coulomb i es fusionen.

Problemes i solucions

L'entusiasme de les primeres dècades es va estavellar contra la increïble complexitat de la tasca. Llançar la fusió termonuclear va resultar relativament fàcil, si es feia en forma d'explosió. Els atols del Pacífic i els llocs de proves soviètics a Semipalatinsk i Novaia Zemlya van experimentar tot el poder d'una reacció termonuclear ja durant la primera dècada de la postguerra.

Però utilitzar aquest poder, llevat de la destrucció, és molt més difícil que detonar una càrrega termonuclear. Per utilitzar l'energia termonuclear per generar electricitat, la reacció s'ha de dur a terme de manera controlada de manera que l'energia s'alliberi en petites porcions.

Com fer-ho? L'entorn en què té lloc una reacció termonuclear s'anomena plasma. És similar al gas, només que a diferència del gas normal està format per partícules carregades. I el comportament de les partícules carregades es pot controlar mitjançant camps elèctrics i magnètics.

Per tant, en la seva forma més general, un reactor termonuclear és un coàgul de plasma atrapat en conductors i imants. Impedeixen que el plasma s'escapi i, mentre ho fan, els nuclis atòmics es fusionen dins del plasma, com a resultat de la qual cosa s'allibera energia. Aquesta energia s'ha d'eliminar del reactor, utilitzar-la per escalfar el refrigerant, i s'ha d'obtenir electricitat.

Paranys i fuites

El plasma va resultar ser la substància més capriciosa a la qual s'havia d'enfrontar la gent de la Terra. Cada vegada que els científics trobaven una manera de bloquejar un tipus de fuita de plasma, se'n descobria una de nova. Tota la segona meitat del segle XX es va dedicar a aprendre a mantenir el plasma dins del reactor durant un temps significatiu. Aquest problema va començar a cedir només als nostres dies, quan van aparèixer ordinadors potents que van permetre crear models matemàtics del comportament del plasma.

Encara no hi ha consens sobre quin mètode és millor per al confinament de plasma. El model més famós, el tokamak, és una cambra de buit en forma de donut (com diuen els matemàtics, un torus) amb trampes de plasma dins i fora. Aquesta configuració comptarà amb la instal·lació termonuclear més gran i cara del món: el reactor ITER que actualment s'està construint al sud de França.

A més del tokamak, hi ha moltes configuracions possibles de reactors termonuclears: esfèrics, com al Globus-M de Sant Petersburg, estel·lars estranyament corbats (com el Wendelstein 7-X de l'Institut Max Planck de Física Nuclear d'Alemanya), làser. trampes inercials, com el NIF nord-americà. Reben molta menys atenció mediàtica que ITER, però també tenen grans expectatives.

Hi ha científics que consideren que el disseny de l'estellarator és fonamentalment més reeixit que el tokamak: és més barat de construir i el temps de confinament de plasma promet donar molt més. El guany d'energia ve proporcionat per la geometria de la pròpia trampa de plasma, que permet desfer-se dels efectes paràsits i les fuites inherents al "donut". La versió bombejada amb làser també té els seus avantatges.

El combustible d'hidrogen que contenen s'escalfa a la temperatura requerida mitjançant polsos làser i la reacció de fusió comença gairebé a l'instant. El plasma en aquestes instal·lacions es manté per inèrcia i no té temps de dispersar-se: tot passa tan ràpidament.

Tot el món

Tots els reactors termonuclears existents avui al món són màquines experimentals. Cap d'ells s'utilitza per generar electricitat. Cap encara no ha aconseguit complir el criteri principal per a una reacció termonuclear (criteri de Lawson): obtenir més energia de la que es va gastar en crear la reacció. Per tant, la comunitat mundial s'ha centrat en el gegantí projecte ITER. Si a ITER es compleix el criteri de Lawson, es podrà perfeccionar la tecnologia i intentar transferir-la als rails comercials.

Cap país del món podria construir ITER sol. Només necessita 100 mil km de cables superconductors, i també desenes d'imants superconductors i un solenoide central gegant per subjectar el plasma, un sistema per crear un gran buit en un anell, refrigeradors d'heli per a imants, controladors, electrònica… Per tant, el El projecte està construint 35 països i més alhora milers d'instituts científics i fàbriques.

Rússia és un dels principals països que participen en el projecte; a Rússia s'estan dissenyant i construint 25 sistemes tecnològics del futur reactor. Es tracta de superconductors, sistemes de mesura de paràmetres de plasma, controladors automàtics i components del desviador, la part més calenta de la paret interior del tokamak.

Després del llançament d'ITER, els científics russos tindran accés a totes les seves dades experimentals. No obstant això, el ressò d'ITER es sentirà no només a la ciència: ara en algunes regions han aparegut instal·lacions de producció, que abans no existien a Rússia. Per exemple, abans de l'inici del projecte, al nostre país no hi havia producció industrial de materials superconductors, i a tot el món només se'n produïen 15 tones anuals. Ara, només a la planta mecànica de Chepetsk de la corporació estatal "Rosatom" es poden produir 60 tones per any.

El futur de l'energia i més enllà

El primer plasma a ITER està previst que es rebi el 2025. El món sencer està esperant aquest esdeveniment. Però una màquina, fins i tot la més potent, no ho és tota. A tot el món i a Rússia, continuen construint nous reactors termonuclears, que ajudaran a entendre finalment el comportament del plasma i trobar la millor manera d'utilitzar-lo.

Ja a finals de 2020, l'Institut Kurchatov llançarà un nou tokamak T-15MD, que formarà part d'una instal·lació híbrida amb elements nuclears i termonuclears. Els neutrons, que es formen a la zona de reacció termonuclear, a la instal·lació híbrida s'utilitzaran per iniciar la fissió de nuclis pesants: urani i tori. En el futur, aquestes màquines híbrides es poden utilitzar per produir combustible per a reactors nuclears convencionals, tant de neutrons tèrmics com de ràpids.

Salvació de tori

Especialment temptadora és la perspectiva d'utilitzar un "nucli" termonuclear com a font de neutrons per iniciar la desintegració dels nuclis de tori. Hi ha més tori al planeta que urani, i el seu ús com a combustible nuclear resol diversos problemes de l'energia nuclear moderna alhora.

Així, els productes de desintegració del tori no es poden utilitzar per produir materials radioactius militars. La possibilitat d'aquest ús serveix com a factor polític que impedeix que els països petits desenvolupin la seva pròpia energia nuclear. El combustible de tori resol aquest problema d'una vegada per totes.

Les trampes de plasma poden ser útils no només en energia, sinó també en altres indústries pacífiques, fins i tot a l'espai. Ara Rosatom i l'Institut Kurchatov estan treballant en components per a un motor de coet de plasma sense elèctrodes per a naus espacials i sistemes per a la modificació de materials per plasma. La participació de Rússia en el projecte ITER estimula la indústria, la qual cosa porta a la creació de noves indústries, que ja estan sent la base de nous desenvolupaments russos.