En este post decidí adaptar un informe grupal de la facultad en donde estudio (Universidad Nacional de Cuyo. San Rafael, Mendoza, Argentina) para informar y aportar algo de interés general, pero mi objetivo principal es que tomen un poco de su tiempo para opinar. No es necesario saber del tema en profundidad, ya que mi grupo y yo no nos hemos adentrado lo suficiente ni tenemos un conocimiento superior a la mayoría. Pueden comentar para corregir conceptos o agregar nuevas ideas que nos sirvan a nosotros como grupo y a los que entren al post. Si desconocen el tema, lean el post y dejen su opinión personal. Me estarían ayudando mucho! Gracias.
Introducción
En el presente informe, se da a conocer uno de los problemas más comunes del mundo actual: Poder sustituir las energías no renovables y sucias por alguna limpia y factible. También presentaremos y explicaremos uno de los inventos más llamativos de estos últimos tiempos como es el generador por fusión nuclear alemán Wendelstein 7-X, muy llamativo porque su funcionamiento está basado en emular a una estrella, creando una nube de plasma de hidrógeno. El combustible que necesita es muy abundante, y además es uno de los más seguros. Este fue finalizado en 2015, pero cabe aclarar que estos reactores son experimentales por ahora, pero, si se invierte como se debe y se es optimista, podría ser uno de los generadores más utilizados y limpios en el futuro, dando así a uno de los mejores proyectos actuales.
Planteo del Problema
Energías Sucias: No renovables y/o Peligrosas para el medio ambiente
Planteamos un tema delicado que afecta a la población global y por supuesto al pasar de los años los procesos de obtención de energía han variado en algunos casos para bien, pero en la mayoría de las situaciones, la energía producida tiene como consecuencia el deterioro del medio ambiente o el agotamiento de ciertos minerales o combustibles que tarde o temprano se acabaran agravando así el problema.
Por lo tanto hacemos énfasis en intentar encontrar una energía que, no solo nos satisfaga ahora, sino que pueda ser usada por generaciones sin que influya de manera directa o indirecta en el estado de nuestro planeta
Justificación del Problema
Energías Sucias
Las energías sucias vienen a ser un tipo de energía menos contaminante en términos de emisión de gases de efecto invernadero, pero que no pueden entrar dentro del rango de las energías renovables.
Es el caso, por ejemplo, del gas, de la energía nuclear y de las grandes presas hidroeléctricas.
LAS GRANDES PRESAS HIDROELÉCTRICAS
•En el caso de este tipo de presas, alteran ecosistemas, dañan regiones agrícolas, desplazan comunidades y destruyen el patrimonio cultural de las mismas.
•No hay que olvidar que las presas también son una fuente de emisión de gases de efecto invernadero, ya que tanto la construcción como los depósitos emiten toneladas de metano.
•Las centrales hidroeléctricas también son susceptibles de disminuir la calidad del agua y de afectar a las condiciones de vida de la flora y la fauna de la zona, obligando a muchas especies a migrar o impidiéndoles seguir su ciclo vital natural (el ejemplo más claro lo tenemos en los embalses que impiden a los salmones remontar el río para desovar.
EL GAS
•El gas ha sido considerado también como un tipo de energía sucia, aunque es un tipo de combustible de transición, siendo el menos sucio de los combustibles fósiles.
•No emiten tanto CO2 como el carbón o el petróleo, de eso no hay ninguna duda, pero su creciente utilización lo ha convertido en un “enemigo” para las energías renovables.
•El gas natural produce un enorme impacto ambiental y un gran gasto energético. Para almacenar este recurso es necesario comprimirlo y licuarlo a muy bajas temperaturas, para lo cual se necesita un gasto de energía extra.
•Además, se necesitan grandes obras e infraestructuras para transportar el gas natural, capaces de alterar el paisaje y la biodiversidad de la zona. Eso por no hablar de los altos riesgos de fugas de metano que existen. Por ello, a pesar de ser una energía más limpia que otros combustibles fósiles, sigue siendo mucho menos limpia que la eólica o la solar.
LA ENERGÍA NUCLEAR
•La energía nuclear no produce los gases que, de alguna u otra forma, contribuyen al cambio climático global, pero tanto los desechos radioactivos como los accidentes en plantas nucleares han llevado a que esta forma de energía no pueda convertirse en una alternativa a los combustibles fósiles, al menos desde el punto de vista renovable.
•Además, las centrales nucleares trabajan con elementos que son muy inestables y peligrosos en caso de fuga. Todos conocemos algunos de los desastres naturales y humanos que han causado plantas nucleares como las de Chernobyl y Fukushima.
•Otro de los principales problemas que plantea la energía nuclear es el almacenamiento de los residuos. Además, los materiales necesarios para producir este tipo de energía, caso del plutonio o del uranio, son muy escasos.
CARBÓN Y PETRÓLEO
•El carbón y el petróleo son dos de los combustibles más usados del planeta. Ambos forman parte de los llamados combustibles fósiles, que son grandes culpables de la contaminación del planeta.
•Este tipo de combustibles contribuyen a la contaminación, al efecto invernadero y al cambio climático, ya que son los responsables de gran cantidad de emisiones de gases de efecto invernadero a la atmósfera. Esto no solo produce la contaminación del aire, sino también de las aguas o de la tierra.
•Además, estas energías no son renovables, es decir, existe un número limitado de estos recursos en el planeta y llegará un momento en el que se agoten totalmente. Entonces no quedará otra obligación que buscar nuevos recursos capaces de producir energía o decantarse de una vez por todas por las energías limpias y renovables.
Objetivos
Nuestros objetivos son lógicos porque no benefician a una minoría ni a una mayoría, beneficia a la población mundial. La producción de una energía limpia y renovable, nos permitirá conservar bosques, disminuir la contaminación por gases de invernadero y abaratar grandes costos debido al alto porcentaje de energía que se obtiene en el proceso de fusión nuclear. Básicamente, lograr este objetivo sería probablemente uno de los mayores logros de la era moderna, porque no solo sería un cambio a nivel de ciencia, tecnología y naturaleza, si este se logra también sería un cambio a nivel mental de la sociedad, precisamente más un cambio de las empresas petroleras y mineras que son las que consiguen la mayor ganancia a costo de la degradación del planeta en el que habitamos, y simplemente, creo que ese sería el paso más difícil, detener la avaricia humana.
Desarrollo
Energía limpia: Reactor experimental de fusión nuclear
Wendelstein 7-X
El Wendelstein 7-X (W7-X) es un estellarator, un reactor experimental de fusión nuclear por confinamiento magnético que se plantea como una alternativa a los modelos Tokamak.
Este nuevo diseño de estellarator se ha construido en Greifswald, Alemania por el Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) y ha sido finalizado en octubre de 2015, siendo su propósito principal evaluar los principales componentes de un futuro reactor de fusión nuclear del tipo estellarator.
El stellarator alemán Wendelstein 7-X (más conocido como W7-X) ha sido noticia hace un par de semanas. El primer reactor de fusión viable para la producción de energía a gran escala acaba de crear su primera nube de plasma de hidrógeno durante una fracción de segundo.
Tengan la forma que tengan, todos los reactores de fusión son, por el momento, experimentales. Si hay tanto interés en este tipo de reactor nuclear es porque su funcionamiento emula al del sol, en teoría permitiría generar mucha más electricidad y no produce residuos radioactivos como los actuales reactores. El mayor problema es que aún no se ha podido poner en marcha un modelo que sea rentable a nivel comercial, ya que todos ellos necesitan se grandes cantidades de energía para funcionar.
En este primer experimento en el que se da por encendido oficialmente el reactor (el reactor se inició con una pequeña cantidad de helio el pasado 10 de diciembre), un pulso de microondas de dos megavatios calentó una nube de hidrógeno hasta convertirla en plasma a 44 millones de grados Celsius.
Antes de que el Wendelstein 7-X se encienda de forma estable y definitiva hay que realizar multitud de comprobaciones de seguridad. Al fin y al cabo, la temperatura del interior del reactor alcanzará los 100 millones de grados Celsius. Si lo logran merecerá la pena. La fusión nuclear está considerada la energía limpia definitiva.
Stellarator
Un stellarator es un dispositivo utilizado para confinar plasmas calientes mediante campos magnéticos con el objetivo de mantener reacciones de fusión nuclear de forma controlada. Es uno de los primeros dispositivos de confinamiento magnético diseñados, y fue inventado por Lyman Spitzer en 1950 y construido un año después en lo que más tarde sería el Laboratorio de Princeton de Física de Plasma. Su nombre hace referencia a las estrellas y al uso del mismo principio físico que las sustenta para generar energía.
Los stellarators fueron el diseño dominante en los años 50 y 60, pero el hecho de que los tokamak obtuvieran muchos mejores resultados hizo que perdieran relevancia. Más recientemente, en los años 90, los problemas asociados al concepto tokamak renovaron el interés por los stellarators, lo que hizo que se construyeran nuevos dispositivos. Los más relevantes todavía en operación son Wendelstein 7-X en Alemania, HSX (Helically Symmetric Experiment) en EE.UU., LHD (Large Helical Device) en Japón, TJ-II en España y recientemente el SCR-1 (Stellarator de Costa Rica 1) en Costa Rica.
Fusión Nuclear
En física nuclear, fusión nuclear es el proceso por el cual varios núcleos atómicos de carga similar se unen y forman un núcleo más pesado.1 Simultáneamente se libera o absorbe una cantidad enorme de energía, que permite a la materia entrar en un estado plasmático.
La fusión de dos núcleos de menor masa que el hierro (en este elemento y en el níquel ocurre la mayor energía de enlace nuclear por nucleón) libera energía en general. Por el contrario, la fusión de núcleos más pesados que el hierro absorbe energía. En el proceso inverso, la fisión nuclear, estos fenómenos suceden en sentidos opuestos.
En el caso más simple de fusión, en el hidrógeno, dos protones deben acercarse lo suficiente para que la interacción nuclear fuerte pueda superar su repulsión eléctrica mutua y obtener la posterior liberación de energía.
En la naturaleza ocurre fusión nuclear en las estrellas, incluido el Sol. En su interior las temperaturas son cercanas a 15 millones de grados Celsius. Por ello a las reacciones de fusión se les denomina termonucleares. En varias empresas se ha logrado también la fusión (artificial), aunque todavía no ha sido totalmente controlada.
Sobre la base de los experimentos de transmutación nuclear de Ernest Rutherford, conducidos pocos años antes, Mark Oliphant, en 1932, observó por primera vez la fusión de núcleos ligeros (isótopos de hidrógeno).
Posteriormente, durante el resto de ese decenio, Hans Bethe estudió las etapas del ciclo principal de la fusión nuclear en las estrellas.
La investigación acerca de la fusión para fines militares se inició en la década de 1940 como parte del Proyecto Manhattan, pero no tuvo éxito hasta 1952. La indagación relativa a fusión controlada con fines civiles se inició en la década de 1950, y continúa hasta el presente.
Para que pueda ocurrir la fusión debe superarse una importante barrera de energía producida por la fuerza electrostática. A grandes distancias, dos núcleos se repelen debido a la fuerza de repulsión electrostática entre sus protones, cargados positivamente. Sin embargo, si se pueden acercar dos núcleos lo suficiente, debido a la interacción nuclear fuerte, que en distancias cortas es mayor, se puede superar la repulsión electrostática.
Fusión de deuterio con tritio, por la cual se producen helio 4, se liberan un neutrón y se generan 17,59 MeV de energía, como cantidad de masa apropiada convertida de la energía cinética de los productos, según la fórmula E = Δm c2.
Requisitos
Cuando un nucleón (protón o neutrón) se añade a un núcleo, la fuerza nuclear atrae a otros nucleones, pero –debido al corto alcance de esta fuerza– principalmente a sus vecinos inmediatos. Los nucleones del interior de un núcleo tienen más vecinos nucleones que los existentes en la superficie. Ya que la relación entre área de superficie y volumen de los núcleos menores es mayor, por lo general la energía de enlace por nucleón debido a la fuerza nuclear aumenta según el tamaño del núcleo, pero se aproxima a un valor límite correspondiente al de un núcleo cuyo diámetro equivalga al de casi cuatro nucleones. Por otra parte, la fuerza electrostática es inversa al cuadrado de la distancia. Así, a un protón añadido a un núcleo le afectará una repulsión electrostática de todos los otros protones. Por tanto, debido a la fuerza electrostática, cuando los núcleos se hacen más grandes, la energía electrostática por nucleón aumenta sin límite.
El resultado neto de estas fuerzas opuestas es que generalmente la energía de enlace por nucleón aumenta según el tamaño del núcleo, hasta llegar a los elementos hierro y níquel, y un posterior descenso en los núcleos más pesados. Finalmente la energía de enlace nuclear se convierte en negativa, y los núcleos más pesados (con más de 208 nucleones, correspondientes a un diámetro de alrededor de seis nucleones) no son estables. Cuatro núcleos muy estrechamente unidos, en orden decreciente de energía de enlace nuclear, son 62Ni, 58Fe, 56Fe, y 60Ni.2 A pesar de que el isótopo de níquel 62Ni es más estable, el isótopo de hierro 56Fe es una orden de magnitud más común. Esto se debe a mayor tasa de desintegración de 62Ni en el interior de las estrellas, impulsada por absorción de fotones.
Una notable excepción a esta tendencia general es el núcleo helio 4He, cuya energía de enlace es mayor que la del litio, el siguiente elemento por incremento de peso. En el principio de exclusión de Pauli se proporciona una explicación a esta excepción: debido a que los protones y los neutrones son fermiones, no pueden existir en el mismo estado. A causa de que el núcleo del 4He está integrado por dos protones y dos neutrones, de modo que sus cuatro nucleones pueden estar en el estado fundamental, su energía de enlace es anormalmente grande. Cualquier nucleón adicional tendría que ubicarse en estados de energía superiores.
Tres ventajas de la fusión nuclear son:
a) en gran parte sus desechos no revisten la problemática de los provenientes de fisión;
b) abundancia –y buen precio–de materias primas, principalmente del isótopo de hidrógeno deuterio (D)
c) si una instalación dejara de funcionar se apagaría inmediatamente, sin peligro de fusión no nuclear.
Fusión nuclear controlada
La fusión nuclear controlada puede constituirse en una de las alternativas más interesantes para la generación de energía eléctrica en gran escala. Esto se debe a su seguridad, al reducido impacto ambiental y a la existencia de cantidades casi ilimitadas de combustible. El progreso alcanzado a nivel internacional en ambos métodos de confinamiento, confinamiento magnético y confinamiento inercial, es significativo. En el área de confinamiento magnético se está desarrollando el proyecto multinacional ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) que incluye la construcción y operación de un dispositivo experimental que produzca aproximadamente 500 MW de potencia de fusión e incorpore la mayor parte de los desarrollos tecnológicos necesarios para la construcción de un reactor comercial. En el área de confinamiento inercial, los últimos resultados obtenidos en el proyecto NIF (National Ignition Facility) han sido alentadores y hay importantes proyectos en marcha en Francia y China. Nuestro país ha alcanzado logros muy significativos en la utilización de la fisión nuclear para la generación de energía eléctrica y no debe quedar al margen del desarrollo de la fusión nuclear, que posee varias ventajas comparativas. La CNEA, como Institución encargada de la actividad nuclear en el país, debe contar con un programa integral de actividades en fusión nuclear controlada. La Ley Nacional de la Actividad Nuclear (Ley Nº 24.084) actualmente en vigencia indica explícitamente la responsabilidad de la CNEA en el tema (art. 2, inc. m). Debido a su complejidad, el diseño, construcción y operación de un reactor de fusión para la producción de electricidad, con potencia semejante a la de los reactores de fisión, requiere desarrollos científicos y tecnológicos en muchas áreas. Estas incluyen, entre otras, física de plasmas, materiales, física atómica y molecular, neutrones, producción de tritio, control, seguridad y licenciamiento. La CNEA posee recursos humanos capacitados y experiencia en muchos de estos temas, provenientes fundamentalmente de las actividades en fisión nuclear. Lo que se propone es iniciar un programa integral de actividades en fusión nuclear controlada, que complemente las actividades en fisión nuclear y aproveche las capacidades desarrolladas por la CNEA en esta área. Este programa debería posicionar a la CNEA como referente nacional e internacional en el tema por la calidad de sus investigaciones científicas y el desarrollo de soluciones innovadoras.
Estado de las investigaciones en fusión nuclear controlada
Para que se produzcan reacciones de fusión es necesario que los núcleos se acerquen lo suficiente como para que la fuerza nuclear (atractiva) sea mayor que la repulsión Coulombiana. Debido a esto, la sección eficaz de la reacción de fusión de deuterio (D) con tritio (T), la más fácil de producir, sólo es significativa a energías mayores a algunos keV. Resulta evidente que a estas energías las colisiones producen la ionización de los átomos de D y T de modo que las reacciones de fusión ocurren en un gas ionizado a alta temperatura (plasma) compuesto por iones D y T, electrones e impurezas. El plasma pierde energía por conducción, convección y radiación y es necesario reponerla CNEA | Año XIII | Número 51/52 | Julio/Diciembre 2013 Página 33 JUL. /DIC. 2013 Programa de actividades en fusión nuclear controlada para mantener su temperatura. Se define entonces el tiempo de confinamiento de la energía (ʏE) como el cociente entre el contenido de energía del plasma (Wp) y la potencia (PH) que hay que entregarle para mantener su temperatura (ʏE =Wp/PH). En la situación ideal, conocida como ignición, esta potencia es depositada por las partículas alfa producidas en las reacciones de fusión. Un análisis del balance de potencia de un reactor de fusión muestra que el parámetro conocido como triple producto de fusión, nTʏE, donde n es la densidad del plasma (en partículas por unidad de volumen) y T su temperatura (se redefine la temperatura de modo de incluir la constante de Boltzman TʏkBT), debe llegar a valores del orden de 5×1021 m-3keVs para alcanzar la ignición. Considerando que el valor de temperatura no puede apartarse mucho de los 10-20 keV se han propuesto dos métodos para alcanzar los valores necesarios del triple producto de fusión. En el método conocido como confinamiento magnético se utilizan campos magnéticos para confinar el plasma y mantenerlo alejado de las paredes de la cámara de reacción. Como la densidad está limitada a valores del orden de 1020 m-3, se necesitan valores de ʏE del orden de algunos segundos. Es decir, en confinamiento magnético se tienen n y T aproximadamente fijos por lo que se debe tratar de aumentar el valor de ʏE. En el método conocido como confinamiento inercial se irradia una pequeña pastilla de combustible con pulsos de láseres o haces de partículas para comprimirla y calentarla. La potencia depositada sobre la pastilla debe ser suficientemente grande como para que en el centro de la misma se alcancen las condiciones necesarias para que se produzcan reacciones de fusión. Como el combustible no se encuentra realmente confinado, sino que se expande a una velocidad limitada solo por su propia inercia cuando finaliza el pulso, el tiempo de confinamiento está limitado y se debe tratar de incrementar la densidad final del combustible. En los últimos años se han realizado importantes avances en ambas líneas de confinamiento. En confinamiento magnético se ha encontrado cómo reducir el efecto de la turbulencia sobre el transporte y se ha aprendido a controlar algunas de las inestabilidades más peligrosas. Por otro lado, la gran cantidad de información obtenida en los experimentos realizados en dispositivos de diferente tamaño y condiciones de operación, ha permitido formular leyes de escala relativamente confiables para predecir el comportamiento del plasma en dispositivos de mayor tamaño. Esto ha llevado al diseño y construcción (en curso) de un “tokamak” de gran tamaño conocido como ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor). ITER se construye en Cadarache (Francia) y se prevé que produzca 500 MW de potencia de fusión.
Conclusión
Para finalizar este aporte, el generador Wendelstein 7-X, en un futuro puede ser uno de los pasos más grandes de la historia generando cambios en la humanidad de manera positiva, y sobre todo en la tierra. No cabe duda que las energías alternativas como la solar y eólica son igual de importantes, pero sin dudas... El que se lleva todos los premios y expectativas que, con el profundo deseo se cumplan o vayan más allá de la imaginación, es el generador. Gracias por pasar y si llegaste hasta acá me serviría mucho tu opinión !