Andrei Alexandru Duma, Jan Cecchini, Jordi Panadès

FUSIÓ NUCLEAR

INTRODUCCIÓ

La moneda fundamental del nostre univers és l’energia. Ens il·lumina les cases, fa créixer el nostre menjar i alimenta els nostres ordinadors.

Tenim moltes maneres d’aconseguir-la: cremant combustibles fòssils, partint àtoms o mitjançant raigs solars que reben les plaques fotovoltaiques. Però tot té un gran defecte: el combustible fòssil és extremadament tòxic; els residus nuclears són… bé, residus nuclears, i a més, encara no tenim suficientes bateries per emmagatzemar l’energia solar pels dies més ennuvolats.

Tot i això, sembla que el sol té virtualment energia gratuïta i il·limitada. Hi ha alguna manera de construir un sol a la Terra? Podriem embotellar una estrella?

UNA MICA D'HISTÒRIA

Els primers orígens de la fusió es remunten al 1929 quan dos homes, Atkinson i Houtermans, varen plantejar la possibilitat d’obtenir energia a partir de la fusió nuclear. Tot i això, no va ser fins l’any 1942 que no es van començar a desenvolupar treballs importants el la matèria.

Mitjançant un projecte titulat Sherwood es va poder desenvolupar el concepte de confinament magnètic. Durant les dècades següents es van anar realitzant avenços (sobretot per part de EEUU i la URSS) fins que en els anys 70 es començaren a publicar articles sobre la fusió nuclear per confinament inercial. Uns anys abans, el 1965, Artsimovich presenta a la 2a conferència de Plasma i Fusió Controlada el concepte TOKAMAK (acrònim de Toroidal Kamera Magnetik). Aquest concepte surt de la combinació d’un camp toroïdal, un poloïdal i un de vertical i fa que el plasma actuï com a secundari d’un transformador per on s’indueix el corrent que escalfa mentre que per el primari del transformador hi circula una intensitat de corrent variable.

Finalment, el 1968, el Premi Nobel N. Basov va informar que s’havia aconseguit produir neutrons a partir de reaccions de fusió nuclear fent servir làsers. Des d’aleshores s’han anat construint instal·lacions que utilitzen la tecnologia làser per a realitzar investigacions sobre la fusió.

BASES DE LA FUSIÓ

Què és

Segons diccionaris.cat, la fusió nuclear es descriu com “Reacció nuclear exoenergètica consistent en la reunió de dos nuclis atòmics per a formar-ne un altre de més pesant, amb possible emissió d’un neutró o d’un protó”. És a dir, consisteix en la unió de dos nuclis, normalment lleugers, per a formar-ne un de més pesant (però de menor massa que els dos nuclis lleugers sumats). Les estrelles són l’exemple més important de l’univers. Brillen, emeten energia, degut a la fusió nuclear.

Com s'aconsegueix la fusió

La fusió és un procés termonuclear, és a dir, que els àtoms han d’estar a molt altes temperatures. De l’ordre de 1,500 a 2,500 milions graus. A l’estar tant calents, els electrons són separats de l'àtom creant el 4t estat de la matèria, el plasma, on nuclis i electrons es mouen lliurement (semblant als líquids).

Com que els nuclis estan carregats negativament es repelen entre ells. Per tal de superar aquesta repulsió i poder fusionar els àtoms, aquest han d’anar molt ràpid. Aquesta velocitat s’aconsegueix augmentant la temperatura que, com ja hem dit, és de milions de graus.

Com funciona una estrella

Les estrelles són tan massives que, degut a la gravetat, el seu nucli està a tanta pressió que excita tant les partícules com per unir els nuclis dels àtoms lleugers, generar-ne de pesats i així aconseguint un excedent d’energia.

Per què es desprèn energia

El pes (massa) del nucli pesat (resultant) és major a la suma dels nuclis lleugers. Aquest defecte de masses és la que crea energia (estan relacionades amb la fórmula E = m·c^2 d'Einstein). Tot i que el defecte de masses és molt petit, en un gram de matèria hi ha molts àtoms. En el Sol, només el 0,5% de l’hidrogen és converteix en energia. (En el cas del Sol s’estan fusionant deuteri (1p i 1n) i triti (1p i 2n) creant heli(2n i 2p) que alliberen 17,6 MeV.

Què es vol aconseguir

És aquesta energia, aquest funcionament, el que es vol replicar en un reactor de fusió nuclear ja que el deuteri es troba en l’aigua i el triti es pot crear a partir del neutró sobrant de la reacció.

MODELS DE REACTORS

A la Terra no és pràctic utilitzar la força bruta per crear fusió. Així que si volem crear un reactor nuclear que generi energia de la fusió, ens les haurem d’enginyar. A dia d’avui, els científics han inventat dues maneres per crear plasma suficientment calent per a poder-se fusionar.

Camps magnètics

El primer tipus de reactor utilitza un camp magnètic per exprimir el plasma en una càmera en forma de dònut (toroïdal) on es realitzaran les reaccions. Aquests reactors de confinament magnètic com l’I.T.E.R (International Thermonuclear Experimental Reactor). de França, fan servir electro-imants superconductors refrigerats amb heli líquid a pocs graus del zero absolut (0 Kelvin, -273,15 Celsius). Això vol dir que contenen un dels gradients més grans de l’univers conegut.

Confinament inercial

El segon tipus, anomenat de “confinament inercial”, utilitza polsos de làsers de gran potencia per a escalfar la superfície d’un pellet de combustible per implosionar-la i, durant uns instants, aconseguir que el combustible aconsegueixi una temperatura i una densitat suficients per a desencadenar una reacció de fusió. De fet, un dels làsers més potents del món està en ús a la NIF (National Ignition Facility) a Estats Units.

AVANTATGES

• La fusió nuclear és una energia neta ja que no produeix gasos nocius durant la reacció, i genera residus nuclear de molt baixa activitat comparat amb la fissió. L’únic gas que es genera és l’heli, que no contribueix en l’efecte hivernacle i no és nociu. Els residus generats (neutró) poden ser utilitzats per crear triti, que podria fer-se servir de nou com a combustible. Si hi hagués una fuga, el triri (l'únic element radioactiu utilitzat) té tan baixa activitat que el seu temps de vida total és molt baix, d’uns 12 anys com a període de semidesintegració i uns 80 anys per tenir una radioactivitat de menys del 2%. Comparat amb els centenars d’anys que necessiten per a disminuir els residus generats a partir de la fissió nuclear és una gran millora. A més a més, la quantitat que s’usa és tant petita, pocs grams, que quedaria dissolta en l’aigua, element amb el que reacciona.

• Els reactors de fusió són molt segurs ja que la reacció deixa de produir-se si es talla el subministrament d’energia. Això vol dir que els accidents que poden passar als reactors de fissió (com el de Txernòbil) no es poden donar amb la fusió.

• És una font d’energia inesgotable, ja que els elements que es fan servir són el Deuteri i el Triti. El Deuteri es pot aconseguir en l’aigua mateix (element abundant, que es pot trobar en tot el món i ens pot proporcionar matèria primera per a milions d’anys), i el Triti s’aconsegueix de la pròpia reacció de fusió del Deuteri.

INCONVENIENTS

• Actualment, el principal inconvenient de la fusió rau en la dificultat d’aconseguir energia neta seguint aquest principi. La teoria és molt bona, però encara no s’han aconseguit crear reactors de fusió que generin energia com amb les centrals de fissió.

• El fet de mantenir un gas a altes temperatures de forté un cost molt elevat i difícil d’aconseguir. A part, actualment es gasta més energia en iniciar un reactor de fusió nuclear que no pas se n’aconsegueix amb el seu funcionament i les instal·lacions tenen grans costos econòmics.

• Alguna gent pensa que segons el Principi d’Indeterminació de Heisenberg no podem aconseguir el control absolut d’una reacció a nivell atòmic ja que té molts components aleatoris, i per tant és impossible controlar el procés de la fusió nuclear amb precisió necessària.

• Tot i que el deuteri és abundant en l’aigua del mar, el triti és més complicat d’aconseguir. Aquest element és radioactiu i probablement n’hi hagi tan sols uns 20 kg en tot el planeta. Principalment es troba en ogives nuclears i això el fa increïblement car. Per tant, seria convenient trobar una nova parella al deuteri en comptes del triti. L’Heli-3 es un isòtop d’Heli que faria de bon candidat, però desafortunadament també és extremadament rar al nostre planeta. El lloc més proper per extreure’n i tenir-n’he durant milers d’anys seria a la Lluna, en la pols lunar.

CONCLUSIONS

Aquests experiments i altres de semblants arreu del món segueixen sent experiments. Al cap i a la fi, els científics encara estan desenvolupant la tecnologia i, tot i que poden aconseguir reaccions de fusió, de moment és més costós començar l’experiment que no pas produir la fusió. Li queda molt per tal que sigui viable a nivell comercial, i tot pot ser que no s’aconsegueixi mai. Pot ser que sigui impossible crear un reactor de fusió a la Terra, però si s’arribés a aconseguir, seria tan eficient que un sol got d’aigua del mar produiria tanta energia com cremar un barril de petroli amb virtualment zero residus. Així doncs, podem dir que la fusió nuclear podria esdevenir la solució a la gran dependència que tenim actualment dels combustibles fòssils, però no a curt termini. Això vol dir que fins que no hi hagi un gran avançament en la matèria no podrem considerar-ho una font d’energia viable, per tant creiem que tot i que s’hauria de continuar investigant per al futur, s’han d’aconseguir altres fonts d’energia renovables per a un futur pròxim o acabarem amb tots els recursos terrestres.

BIBLIOGRAFIA

Kurzgesagt – In a Nutshell [en línia]. Fusion Power Explained – Future or Failure. 2016 [Consulta: 29 maig 2019] Disponible a: https://youtu.be/mZsaaturR6E

Foro Nuclear. La fusió nuclear [en línia]. Foro de la industria Nucelar Española. [Consulta: 29 maig 2019] Disponible a: https://www.foronuclear.org/es/el-experto-te-cuenta/120315-la-fusion-nuclear

Enciclopèdia.cat. fusió nuclear. [en línia] Enciclopèdia Catalana. [Consulta: 29 maig 2019] Disponible a: https://www.enciclopedia.cat/EC-GEC-0110782.xml

Energia Nuclear. Fusion nuclear. [en línia] Energia Nuclear, 2014[Consulta: 29 maig 2019] Disponible a: https://energia-nuclear.net/que-es-la-energia-nuclear/fusion-nuclear

E.NUCLEAR. Ventajas e inconvenientes de la energia de fusión nuclear. [en línia] [Consulta: 29 maig 2019] Disponible a: https://sites.google.com/site/unidad31tecnologia/-ventajas-e-inconvenientes-de-la-energia-de-fusion-nuclear

Madri+d. El problema de la fusión nuclear. [en línia] [Consulta: 29 maig 2019] Disponible a: http://www.madrimasd.org/blogs/medioambiente/el-problema-de-la-fusion-nuclear