Fusio-energia

1991ko fusio magnetikoaren JET(Joint European Torus) esperimentua.

Fusio-energia fusio nuklearreko erreakzioak eragitean askatzen den energia da. Erreakzio mota honetan, bi nukleo atomiko arin batu egiten dira nukleo astunago bakarra osatuz, prozesuan energia kantitate handia askatuz. Prozesu hauek baldintza (tenperatura, presioa eta konfinamendu-denbora) oso konkretuak behar dituzte era egoki eta seguruan gauzatzeko, baita ezaugarri konkretuak dituzten lehengaiak ere, hidrogenoa adibidez.

Energia hori, gaur egun hidrogeno-bonbetan gehien bat erabiltzen den arren, etorkizuneko energia elektriko iturritzat ere jotzen dute adituek. Horretarako, arlo honetako ikerketa gehienek fusioa bero-iturri moduan erabiltzen dute zentral nuklearretan, lurrunezko turbinak eta sorgailuak erabiliz elektrizitatea produzitzeko. Prozedura hau erregai fosilak erabiltzen dituzten zentral termikoetan edo fisiozko zentral nuklearretan gertatzen denaren antzekoa da, baina ingurumenarekiko eragina nabarmen txikiagoa da fusioaren kasuan (hidrogeno kilo erdiarekin 35 milioi kilowatt orduko sor daitezke).

Testuinguru historikoa

Fusio-energiari buruzko ikerketak 1940ko hamarkadan hasi ziren arren, denbora pasatu ahala haien garrantzia handituz joan da; izan ere, aplikazioak ugariak dira gerra tresnetan, espazio-ontzien propultsioan eta batez ere energia produkzioan.

Lehenengo urteak

Fusio termonuklearra lortu zuen lehenengo esperimentua 1958. urtean egin zen, deuterioa erabiltzen zuen Scylla I gailua erabiliz LANL laborategian. Hurrengo hamarkadetan zehar, hainbat egitura eta metodo proposatu ziren etengabeko aurrerapausoak emanez arlo honetan (tokamak kontzeptua, tokamak esferikoak etab.).

90eko hamarkada

Fusio-energia lehen aldiz askatzea 1991. urtean lortu zen, Joint European Torus erreaktorea erabiliz, Preliminary Tritium Experiment deritzon esperimentuan hain zuzen ere. Horretan jarraituz, alde batetik, 1996. urtean Tore Supra erreaktoreak milioi bat ampereko plasma-fluxua lortu zuen bi minutu baino gehiagotan eta, bestetik, JET erreaktoreak 16.1 MW-ko energia produzitzea lortu zuen (10MW baino gehiagoko produkzioa mantendu zuen 0.5 segundotan zehar).

XXI. mendearen hasiera

Ikerketak aurrera jarraiturik, berrikuntza ugari agertu ziren arlo honetan mende berriarekin batera, hala nola konfinamendu inertzialeko fusioa. Metodo berri honi zuzendutako lehen erreaktorea Txinan eraiki zen 2006. urtean, EAST izenekoa. Bertan, iman supereroaleak erabili zituzten lehen aldiz eremu toroidal eta poloidalak sortzeko.

Ignizio Zerbitzu Nazionalaren aurreanplifikadoreak

Aipagarria da mende hasieran zenbait fusio-korporazio pribatu energia hau sortu eta aprobetxatzeko lehian sartu zirela, esate baterako, Tri Alpha Energy (C-2U gailua garatu zuen taldea) edo General Fusion (plasma injektatzeko teknologia asmatu zuen enpresa).

Urteak aurrera joan ahala, inbertsio publiko eta pribatu ugarien ondorioz, teknologia nabarmenki garatu zen. Horren ondorioz, 2015. urtean MIT unibertsitateak ARC izeneko fusio erreaktorea aurkeztu zuen, gainerako diseinuek besteko gaitasuna zuen eremu magnetiko indartsuak sortzeko, baina tamaina askoz txikiagoa izanik. Horri esker, Eni enpresak 50 milioi dolar inbertitu zituen teknologia hau merkaturatu nahian.

2020ko hamarkada

2021eko urrian, First Light Fusion korporazioak aluminiozko diskoak jaurti zituen fusio-erregaiaren kontra, bero moduan aprobetxatu daitekeen energia ugariko neutroiak askatuz. Honi jarraituz, 2022ko apirilean, jaurtigai hipersonikoak fusioarekin bateragarriak diren neutroiak askatzeko gai zirela ikusi zuen enpresa honek, deuterioa 100TPa baino presio altuagoetan konprimitu zutelarik.

Fusio-prozesua

Fusio-erreakzioa gertatzen da bi nukleo atomiko edo gehiagoren arteko erakarpen-indarra berauek aldaratzen dituen indar elektrostatikoa baino handiagoa denean.

Prozesu honetan Burdin-56 baino pisutsuagoak diren nukleoek parte hartzen dutenean, erreakzioari endotermiko deritzo, hau da, nukleoei energia eman behar zaie fusioa gertatzeko. Bestela esanda, Burdin-56 baino pisutsuagoak diren nukleoek protoi gehiago dituztenez, haien arteko aldarapen indar elektrostatikoa indartsuagoa da. Aldiz, Burdin-56 baino arinagoak diren nukleoek parte hartzen dutenean, erreakzioa exotermikoa da, hau da, prozesua gertatzean nukleoek energia askatzen dute.

Beraz, fusioa lortzeko materialik erabiliena hidrogenoa da; izan ere, nukleoan protoi bakarra duenez, fusioa lortzeko erraztasuna nabarmena da beste materialekin konparatuz.

Indar nuklear honek, femtometro baten inguruko distantzia laburretan baino ez du eraginik; aldiz, aldarapen elektrostatikoak distantzia luzeagoetan eragiten du. Hortaz, fusio-prozesua gertatu ahal izateko, atomoek energia zinetiko nahikoa jaso behar dute, elkarrekintza elektrostatiko hori gainditzeko; horretarako beharrezkoa den energiari Coulomb-en muga deritzo. Nukleoak egoera horretara eramateko, bi modu nabarmendu daitezke: partikula-azeleragailu batean atomoak azeleratzea, edo tenperatura altuetara heldu arte berotzea.

Berokuntzaren ondorioz lortutako energiari esker, atomoak bere ionizazio-energia lor dezake eta elektroiak askatuko ditu. Prozesu horri ionizazio-prozesu deritzo, eta horren ondorioz lortutako nukleoari, ioi haien zuzen ere. Horren emaitza ioiez eta elektroi askeez osaturiko hodei beroa da, plasma deritzona. Materiaren egoera honetan, kargak bereizita daudenez, plasma eroalea eta magnetikoki kontrolagarria da.

Erreakzio baten zeharkako sekzioak, σ ikurrez adierazten dena, fusio-erreakzioa gertatzeko probabilitatea neurtzen du. Hau bi nukleoen arteko abiadura erlatiboaren araberakoa da. Oro har, abiadura erlatibo altuagoek prozesua gertatzeko probabilitatea handitzen dute, baina probabilitatea txikiagotzen da energia handitzen den heinean.

Zenbait nukleo atomikotarako lotura-energia. Burdin-56 da altuena eta egonkorrena. Litekeena da ezkerrean dauden nukleoek energia askatzea bat egiten dutenean (fusioa); eta eskuin muturrekoek ezegonkorrak izatea eta energia askatzea zatitzen direnean (fisioa)

Fusio-erreakzioaren abiadura azkar handitzen da tenperaturarekin maximizatu arte, eta, gero, pixkanaka desagertzen da. Deuterioaren eta tritioaren arteko fusio-abiadura maximora iristen da tenperatura baxuagoan eta fusio-energiarako eskuarki kontuan hartzen diren beste erreakzio batzuk baino balio handiagoan.

Plasman, partikulen abiadura probabilitate-banaketa erabiliz karakteriza daiteke. Plasma termalizatuta dagoenean, banaketa honek kurba gaussiarren banaketa edo Maxwell–Boltzmann banaketa dirudi. Kasu honetan, erabilgarriagoa da batez besteko zeharkako partikula-sekzioa erabiltzea, abiaduraren banaketa baino.

$$P_{\text{fusio}}=n_{a}n_{b}\langle \sigma ,v(a,b)\rangle E_{\text{fusio}}$$P_fusio: fusio-erreakzioan, metro kubikoko eta segundoko askatzen den energia.

n_A eta n_B : partikulen dentsitate-zenbakia.

<σ,v_(a,b)> : erreakzioaren zeharkako ebakidura.

E_fusio: fusio-erreakzioan askatzen den energia.

Lawson-en irizpidea

Lawson-en irizpideak erakusten du energiaren ekoizpena nola aldatzen den tenperaturaren, dentsitatearen eta edozein erregai jakinen talka-abiaduraren arabera. Ekuazio hori funtsezkoa izan zen John Lawson-en fusio-azterketan. Lawsonek energia-balantze hau hartu zuen:$$P_{\text{irteera}}=\eta _{\text{capture}}(P_{\text{fusio}}-P_{\text{eroale}}-P_{\text{erradiazio}})$$P_irteera: fusioan lortzen den potentzia garbia.

η_capture: irteerako energia harrapatzeko eraginkortasuna.

P_fusio: fusio-erreakzioek askatutako energiari dagokion potentzia.

P_conduction: konduktibitate galera, masa energetikoa plasmatik ateratzearen ondoriozkoa.

P_erradiazio: erradiazio galerak.

Energiaren harrapaketa

Fusioak sortzen duen energia harrapatu eta aprobetxatzeko hainbat irtenbide proposatu dira. Ohikoena fluido jakin bat berotuz egiten da. Hau da, D-T erreakzioak bere energiaren zati handi bat mugimendu azkarreko neutroi gisa askatzen duenez, hauek erreaktorearen nukleoa inguratzen duen litiozko "manta" lodi baten bidez harrapatzen dira diseinu gehienetan. Energia handiko neutroi batek jotzen duenean, manta berotu egiten da eta berotze horren aurka manta hoztu egiten duen fluidoa da potentzia produzitzen duen turbina eragiten duena.

Erregaiak

Fusio-energiarako erabili ohi diren erregaiak elementu arinak dira, hala nola, hidrogenoaren isotopoak (deuterioa eta tritioa adibidez).

Deuterioa eta tritioa

D-T erreakzioaren diagrama.

Erreakzio nuklear errazena eta erregai kantitate txikiena erabiltzen duena, D+T (deuterioa + tritioa) deritzona da:$${\ce {D_{1}^{2}{+}T^{3}_{1}->He_{2}^{4}(3,5 MeV){+}n^{1}_{0}(14,1 MeV)}}$$Erreakzio hori ohikoa da ikerkuntzan eta baita aplikazio industrial zein militarretan ere, gehienetan neutroi-iturri gisa. Deuterioa hidrogenoaren isotopo naturala da eta, normalean, ugaria da. Tritioa ere hidrogenoaren isotopo naturala da; alabaina, 12.32 urteko bizitza laburra du eta aurkitu zein biltegiratzeko zailagoa da.

D-T fusioko erreaktore komertzial batean espero den neutroi-fluxua fisio-energiazko erreaktoreetan gertatzen dena baino 100 aldiz handiagoa da, gutxi gorabehera. Hori dela eta, prozesu honetarako materialen diseinuan arazo ugari egoten dira.

Deuterioa

Deuteriozko bi nukleo bateratzea da bigarren fusio-prozesurik errazena. Erreakzioak bi adar ditu:

Deuterioaren zeharkako sekzioa ioien talka-energia desberdinetan.

$${\ce {D +D->T{+}H^{1}}}$$$${\ce {D +D->He^{3}{+}n}}$$Prozesu hau ere ohikoa da ikerkuntzan. Hala ere, hasiera-energia 15 KeV ingurukoa da kasu honetan, D-T erreakzioan baino pixka bat handiagoa.

D-D erregai-zikloaren abantaila nagusia da ez dela beharrezkoa tritioaren hazkuntza. Horrez gain, litioak baliabideekiko independentzia eta neutroi-espektro leunagoa edukitzea ere ezaugarri erakargarriak dira prozesu hau aukeratzeko orduan. D-D-ren desabantaila, aldiz, D-T erreakzioarekin alderatuta energiaren konfinamendu-denbora 30 aldiz handiagoa izatean datza, potentzia 68 aldiz txikiagoa izanik.

Deuterioa, helioa-3

Fusiorako erregaien ikerketak aurrera jarraitu ahala, fusio-energia lortzeko prozesu berri bat aurkitu zuten, alegia, helio-3 (3He) eta deuterio (2H) bateratzea:$${\ce {D +He^{3}-> H^{4}{+}H^{1}}}$$Erreakzio honek ⁴He materia eta energia handiko protoia sortzen du. Erreakzio-energia gehiena kargatutako partikula gisa askatzen denez, erreaktorearen aktibazioa murrizten da eta energia era eraginkorragoan biltzeko aukera ematen du.

Protioa, boroa-11

Fusio aneutroniko (neutroiek gehienez energiaren %0.1-a baino ez daramaten fusio mota) deritzon prozesuak murriztu egiten ditu, neurri handi batean, materialei dagozkien arazoak. Teorian, erregai aneutroniko erreaktiboena 3He da. Hala ere, material horren kantitate handiak lortzeko, Lurretik kanpo bilatu beharko genuke: Ilargian, Uranon edo Saturnoko atmosferan zehazki. Beraz, fusio horretarako erregai ohikoenak “erraz” eskura daitezkeen protioa eta boroa dira:$${\ce {p +B_{1}^{1}-> 3He^{4}}}$$Erreakzio honetarako tenperatura-energia optimoa 123 keV ingurukoa da, hidrogeno garbiaren erreakzioan baino ia hamar aldiz handiagoa. Gainera, energia-konfinamendua D-T erreakziorako behar dena baino 500 aldiz hobeagoa izan behar da.

Metodo eta materialak

Fusio-prozesua sortzeko, metodo ugari asmatu dituzte ikerlariek. Izan ere, erabilitako material eta baliabideen arabera, fusioa era oso ezberdinetan sortu eta balia daiteke.

Metodoak eta ohiko prozesuak

Plasmaren erabilera

Plasma eroankortasun elektriko handiko gas ionizatua da, Navier-Stokes eta Maxell-en ekuazioen bidez ereduztatzen dena. Fusioan, bereziki, plasmaren zenbait propietate oso erabilgarriak direnez, garrantzi handia dute hauek prozesu honen inguruko ikerketetan.

Konfinamendu magnetikoa

Konfinamendu magnetikoa plasma egoeran dagoen material jakin bat eremu magnetikoan konfinatzean oinarritzen da. Eremu honi forma konkretu bat emanez, plasma osatzen duten partikula positibo zein negatiboak esparru batean manten ditzakegu, Lorentz-en indarrean oinarriturik.

Horretarako, hainbat ikerketaren ondoren, zenbait gailu garatu dituzte adituek; hala nola, Tokamak, Tokamak esferikoa edo Sterellator-a.

Konfinamendu inertziala

Metodo hau partikulak azeleratzean datza, energia zinetikoaren bitartez Coulomb-en muga zeharkatu arte. Behin hau lortuta, fusioa gertatzeko baldintzak nabarmen errazagoak dira. Metodo erabilienak honetarako, laser bidezko eta estutze bidezko konfinamenduak dira.

Konfinamendu inertzial elektrostatikoa

Konfinamendu magnetikoan ez bezala, eremu elektrostatikoa erabiltzen da kasu honetan plasmaren dentsitatea egonkor mantendu eta tenperatura altuetan lan egiteko. Bi taldetan banatzen dira, orokorrean, metodo hau erabiltzen duten gailuak: Fusor-ak eta Polywell-ak.

Ingurumenaren gaineko eragina

Istripu arriskua

Istripuak gertatzeko arriskua fisioaren kasuan baino askoz txikiagoa dela argitu dute ikerlariek, bai erradiazioari zein leherketei dagokienez.

Fusio-erreaktore gehienek hidrogeno likidoa erabiltzen dute hozte-sisteman, baita “galdutako” neutroiak tritio bihurtu eta hauekin erreaktorea berrelikatzeko. Hidrogeno hori sukoia denez, su hartuz gero tritioa aska daiteke atmosferara, erradiazio arriskua suposatuz. Hala ere, kalkuluen arabera, mota honetako zentral batean aurki daitekeen tritio kantitatea kilometro gutxi batzuetara diluituko litzateke, benetako arrisku handirik suposatu gabe.

Hondakin erradioaktiboak

Fusioaren ondorioz sortutako hondakinak fisioari dagozkionak bainoa askoz seguruagoak dira. Izan ere, fisioaren ondoriozkoak, erradioaktiboagoak izateaz gain, biologikoki arriskutsuagoak dira eta bizi-denbora luzeagoa ere badute.

Materialen aukeraketan ere, fisio-prozesuan erabilitako materialak mugatuagoak dira. Fusioaren kasuan, erreaktoreak “aktibazio baxua” erabiliz diseina daitezke, hau da, erradioaktibo bihurtzeko zailagoak diren materialen bidez (Banadioa, adibidez).

Bibliografia

• Clery, Daniel (2014). A Piece of the Sun: The Quest for Fusion Energy. The Overlook Press. ISBN 978-1-4683-1041-2.

• Cockburn, Stewart; Ellyard, David (1981). Oliphant, the life and times of Sir Mark Oliphant. Axiom Books. ISBN 9780959416404.

• Dean, Stephen O. (January 5, 2013). Search for the Ultimate Energy Source: A History of the U.S. Fusion Energy Program. Springer Science & Business Media. ISBN 978-1-4614-6037-4.

• Hagelstein, Peter L.; McKubre, Michael; Nagel, David; Chubb, Talbot; Hekman, Randall (2004). "New Physical Effects in Metal Deuterides" (PDF). 11Th Condensed Matter Nuclear Science. Washington: US Department of Energy. 11: 23–59. Bibcode:2006cmns...11...23H. CiteSeerX 10.1.1.233.5518. doi:10.1142/9789812774354_0003. ISBN 978-981-256-640-9. Archived from the original (PDF) on 2007-01-06. (manuscript)

• Hutchinson, Alex (January 8, 2006). "The Year in Science: Physics". Discover Magazine (Online). ISSN 0274-7529. Retrieved 2008-06-20.

• Nuttall, William J., Konishi, Satoshi, Takeda, Shutaro, and Webbe-Wood, David (2020). Commercialising Fusion Energy: How Small Businesses are Transforming Big Science. IOP Publishing. ISBN 978-0-750-32717-6.

• Molina, Andrés de Bustos (August 29, 2013). Kinetic Simulations of Ion Transport in Fusion Devices. Springer International Publishing. ISBN 978-3-319-00421-1.

• Nagamine, Kanetada (2003). "Muon Catalyzed Fusion". Introductory Muon Science. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-03820-1.

• Pfalzner, Susanne (2006). An Introduction to Inertial Confinement Fusion. USA: Taylor & Francis. ISBN 978-0-7503-0701-7.

Kanpo estekak

• Datuak: Q641442
• Multimedia: Nuclear fusion reactors / Q641442