Fusión nuclear

El deuterio está presente de forma natural en grandes cantidades en los océanos , hasta 33  g / m 3 . Estos recursos teóricos satisfarían el consumo energético de la especie humana durante millones de años. De hecho, el deuterio contenido en 1  m 3 de agua puede proporcionar potencialmente tanta energía como la combustión de 668  t de aceite.

El proceso de extracción, la separación isotópica de agua pesada por el proceso Girdler , ya está industrializado.

El tritio es muy raro en la naturaleza, con aproximadamente un átomo de tritio 10 18 átomos de hidrógeno de 3,5  kg en el mundo. Por lo tanto, debe prepararse artificialmente y usarse con bastante rapidez, ya que su naturaleza como isótopo radiactivo con una vida media corta significa que la mitad del tritio natural o artificial producido desaparece en 12,3 años. Además, es difícil de confinar, ya que es un átomo tan pequeño que se filtra en el acero y puede atravesarlo.

1. El tritio es actualmente producido por centrales nucleares ( principalmente líneas CANDU ) pero podría agotarse rápidamente (en unas pocas décadas desde las fases experimentales y primeras aplicaciones).
2. Otra vía de producción, elegida para el suministro del proyecto ITER , es la irradiación de neutrones de litio 6 tras la reacción6
   3Li + 1
   0n → 3
   1H + 4
   2Él . El neutrón requerido tiene una energía de alrededor de 2,5  MeV , menor que la de los neutrones de fusión ( 14  MeV ). Las reservas mundiales de litio, estimadas en 9,5 millones de toneladas en forma de mineral, serían teóricamente suficientes para garantizar más de un millón de años de funcionamiento.
3. Finalmente, una tercera vía de producción podría ser la regeneración del tritio durante su reacción de fusión. Sin embargo, su balance de neutrones no le permite producir su propio combustible:
   • cada reacción de fusión consume un átomo de tritio y produce un neutrón de alta energía que puede dividirse por espalación si bombardea un átomo pesado;
   • la producción de un átomo de tritio a partir de litio 6 requiere un neutrón.

Aplicaciones

Si la fusión se ha utilizado en el campo militar con bombas H , todavía no existe una aplicación civil para la producción de electricidad . Solo se pudieron construir prototipos de estudio, cf. sección # Avance de proyectos .

Hay algunos otros usos, como los generadores de neutrones .

Reacciones de fusión importantes

Cadenas de reacciones en astrofísica

El proceso de fusión más importante de la naturaleza es el que alimenta a las estrellas . El resultado neto es la fusión de cuatro protones en una partícula alfa ( núcleo de helio-4 ), acompañada de la liberación de dos positrones , dos neutrinos (que convierten dos de los protones en neutrones ) y energía, pero hay varias reacciones individuales involucradas. según la masa de la estrella. En estrellas de tamaño similar o más pequeño que el Sol , predomina la cadena protón-protón . En las estrellas más pesadas, el ciclo carbono-nitrógeno-oxígeno (CNO) es el más importante. Ambos tipos de procesos están en el origen de la creación de nuevos elementos en el marco de la nucleosíntesis estelar . Otros procesos entran en juego en las explosiones de estrellas masivas en supernovas , que conducen a la creación de elementos pesados, como parte de la nucleosíntesis explosiva .

A temperaturas y densidades del núcleo de la estrella, la velocidad de la reacción de fusión es notablemente baja. Por ejemplo, a la temperatura ( T ≈ 15  MK ) y la densidad ( 160  g / cm 3 ) del núcleo del Sol, la tasa de liberación de energía es de solo 276  μW / cm 3 , aproximadamente una cuarta parte del flujo de calor por unidad de volumen de un ser humano en reposo. Por tanto, reproducir en el laboratorio las condiciones del corazón de las estrellas con el fin de producir energía de fusión es completamente imposible de poner en práctica. Como las velocidades de reacción dependen en gran medida de la temperatura (exp (- E / kT )), es necesario, para lograr tasas razonables de producción de energía en los reactores de fusión nuclear, trabajar a temperaturas de diez a cien veces superiores. las del corazón de las estrellas, es decir T - 0,1 - 1  GK (del orden de cien millones a mil millones de Kelvin ).

Criterios y candidatos para reacciones terrestres

En la fusión realizada por el hombre, no es necesario que el combustible utilizado esté compuesto por protones, y es posible utilizar temperaturas más altas para acceder a reacciones con una sección transversal mayor . Esto implica un menor valor del criterio de Lawson y, por tanto, un menor esfuerzo a producir para el inicio de las reacciones. La producción de neutrones, que constituye un tema de preocupación porque provoca una activación radiológica de la estructura del reactor, tiene por otro lado la ventaja de permitir la extracción de energía de fusión así como la producción de tritio . Se dice que las reacciones que no producen neutrones son aneutrónicas .

Para poder utilizarse como fuente de energía, una reacción de fusión debe cumplir varios criterios. Ella debe :

• ser exotérmico: esta condición parece obvia, pero limita los reactivos a la parte de la curva de las energías de enlace correspondiente a los números atómicos bajos Z (número de protones). También hace que el helio 4 He sea el producto más común debido a sus enlaces extremadamente estrechos, aunque también se encuentran 3 He y 3 H;
• implican núcleos Z débiles: debe superarse la repulsión electrostática para que los núcleos puedan unirse lo suficiente para fusionarse;
• tienen dos reactivos: en todas las densidades inferiores a las de las estrellas, la colisión simultánea de tres partículas es demasiado improbable. En el caso del confinamiento inercial se superan tanto las densidades como las temperaturas estelares, lo que permite compensar la debilidad del tercer parámetro del criterio de Lawson, la muy corta duración del confinamiento;
• tener dos o más productos: esto permite la conservación simultánea de energía e impulso  ;
• conservar tanto los protones como los neutrones: las secciones transversales para la interacción débil son demasiado pequeñas.

Pocas reacciones cumplen con todos estos criterios. Los siguientes son los que tienen las secciones transversales más grandes  :

1.   2 D + 3 T → 4 He (3,5 MeV) + n 0 (14,1 MeV)
   • 2 D + 2 D → 3 T (1,01 MeV) + p + (3,02 MeV) 50%
   • 2 D + 2 D → 3 He (0,82 MeV) + n 0 (2,45 MeV) 50%
2. 2 D + 3 He → 4 He (3,6 MeV) + p + (14,7 MeV)
3. 3 T + 3 T → 4 He + 2 n 0 + 11,3 MeV
4. 3 He + 3 He → 4 He + 2 p + + 12,9 MeV
   • 3 He + 3 T → 4 He + p + + n 0 + 12,1 MeV 51%
   • 3 He + 3 T → 4 He (4,8 MeV) + 2 D (9,5 MeV) 43%
   • 3 He + 3 T → 4 He (0,5 MeV) + n 0 (1,9 MeV) + p + (11,9 MeV) 6%
   • 2 D + 6 Li → 2 4 He + 22,4 MeV
   • 2 D + 6 Li → 3 He + 4 He + n 0 + 2,56 MeV
   • 2 D + 6 Li → 7 Li + p + + 5,0 MeV
   • 2 D + 6 Li → 7 Be + n 0 + 3,4 MeV
5. p + + 6 Li → 4 He (1,7 MeV) + 3 He (2,3 MeV)
6. 3 He + 6 Li → 2 4 He + p + + 16,9 MeV
7. p + + 11 B → 3 4 He + 8,7 MeV

Para reacciones con dos productos, la energía se distribuye entre ellos en proporción inversa a sus masas, como se muestra. En la mayoría de las reacciones con tres productos, la distribución de energías es variable. Para reacciones que pueden dar lugar a más de un conjunto de productos, se indican las proporciones. Algunas reacciones candidatas se pueden eliminar de inmediato. La reacción D- 6 Li no tiene ninguna ventaja sobre p- 11 B porque, aunque es casi tan difícil de comenzar, produce considerablemente más neutrones a través de las reacciones del lado 2 D- 2 D. También hay un p- 7 Li reacción , sin embargo, su sección transversal es mucho demasiado pequeña, excepto quizás cuando T i > 1  MeV , pero a estas temperaturas una reacción endotérmica, produciendo directamente neutrones, se hace muy significativo. Finalmente, hay una reacción p- 9 Be, que no solo es difícil de desencadenar, sino en la que se puede hacer que el 9 Be se divida fácilmente en dos alfas y un neutrón.

Además de las reacciones de fusión, las siguientes reacciones que involucran neutrones son importantes para la producción de tritio en bombas de fusión "secas" y algunos reactores planificados:

Para evaluar la utilidad de estas reacciones, además de los reactivos, productos y energía liberada, también se requiere información sobre la sección transversal. Cualquier dispositivo de fusión tiene una presión máxima que puede mantener, y un dispositivo económico siempre tendrá que funcionar cerca de ese máximo. Dada esta presión, la máxima energía de fusión se obtiene eligiendo una temperatura tal que <σ v > / T 2 sea ​​máxima. También es la temperatura a la que el valor del producto triple nTτ requerido para la ignición es mínimo, siendo este último inversamente proporcional a <σ v > / T 2 (ver el criterio de Lawson ). Esta temperatura óptima así como el valor de <σ v > / T 2 a esta temperatura se dan para algunas de estas reacciones en la siguiente tabla.

Muchas de estas reacciones forman cadenas. Por ejemplo, un reactor alimentado con 3 T y 3 He crea un poco de 2 D, que luego es posible utilizar en la reacción 2 D + 3 He si las energías son "correctas". Una idea elegante es combinar las reacciones (8) y (9). El 3 He producido por la reacción (8) es capaz de reaccionar con el 6 Li producido por la reacción (9), antes de su termalización completa. Se produce así un protón que a su vez puede experimentar la reacción (8) antes de la termalización. Un análisis detallado muestra que esta idea en realidad no funcionará muy bien, pero es un buen ejemplo de un caso en el que la hipótesis habitual del plasma maxwelliano no es apropiada.

Neutronicidad, requisitos de contención y densidad de potencia

Cualquiera de las reacciones anteriores puede, en principio, ser la base para la producción de energía de fusión. Además de la temperatura y la sección transversal discutidas anteriormente, es necesario examinar la energía total de los productos de fusión E fusión , la energía de los productos de fusión cargados eléctricamente E ch , y el número atómico Z de los reactivos distintos de los isótopos de hidrógeno.

Sin embargo, la especificación de la 2 D- 2 D reacción implica ciertas dificultades. En primer lugar, es necesario realizar un promedio en las dos ramas (2i) y (2ii). Luego, lo que es más difícil, debes decidir cómo procesar los productos 3 T y 3 He. La 3 T “arde” tan bien en un plasma de deuterio que es prácticamente imposible extraerlo. La reacción 2 D- 3 He es óptima a una temperatura mucho más alta y la combustión a la temperatura óptima para 2 D- 2 D puede ser baja; Por tanto, parece razonable suponer que arderá 3 T, pero no 3 He, y que la energía así liberada se sumará a la de la reacción. La energía de fusión 2 D- 2 D será por tanto E fusión = (4.03 +17.6 + 3.27) / 2 = 12.5  MeV , y la de las partículas cargadas E ch = (4.03 + 3, 5 + 0.82) / 2 = 4.2  MeV .

Otro aspecto específico de la 2 D- 2 D reacción es la presencia de un solo reactivo, que debe ser tenido en cuenta al calcular la velocidad de reacción.

Con base en estas elecciones, los parámetros de cuatro de las reacciones más importantes se muestran en la siguiente tabla.

La última columna corresponde a la neutronicidad de la reacción, definida como la fracción de la energía de fusión liberada en forma de neutrones. Es un indicador importante del alcance de los problemas asociados con los neutrones, como daños por radiación, protección biológica, manipulación remota y seguridad. Para las dos primeras reacciones, está dada por ( E fusión - E ch ) / E fusión . Para los dos últimos, donde esta fórmula daría un resultado igual a 0, los valores dados son estimaciones aproximadas basadas en reacciones secundarias que producen neutrones en un plasma en equilibrio térmico.

Es necesario mezclar los reactivos en las proporciones óptimas. Este es el caso cuando cada ion reactivo y sus electrones asociados participan en la mitad de la presión. Suponiendo que la presión total es fija, significa que la densidad de los iones que no son hidrógeno es menor que la de los iones de hidrógeno en un factor de 2 / ( Z +1). Como resultado, la velocidad de estas reacciones se reduce en el mismo factor, que es la mayor diferencia en los valores de <σ v > / T 2 . Por otra parte, puesto que el 2 D- 2 D reacción tiene un solo reactivo, la tasa es dos veces tan alta como si el combustible consistió en dos isótopos de hidrógeno.

Por tanto, existe una "penalización" de (2 / ( Z +1)) para los combustibles distintos del hidrógeno, debido al hecho de que necesitan más electrones, que absorben la presión sin participar en la reacción de combustión o fusión. En general, es correcto suponer que la temperatura de los electrones y la temperatura de los iones son prácticamente iguales. Algunos autores prevén que los electrones se pueden mantener a una temperatura mucho más baja que los iones. En tales situaciones, conocidas como "modos de iones calientes", la "penalización" no se aplicaría. No es igualmente una "prima" de un factor de 2 para el 2 D- 2 D reacción debido al hecho de que cada ion puede reaccionar con cualquiera de los otros iones, y no sólo con una fracción de ellos..

La siguiente tabla compara estas reacciones.

El valor máximo de <σ v > / T 2 se toma de una tabla anterior. El factor de "penalización / bonificación" es el que se vincula con un reactivo que no es hidrógeno o con una reacción en una sola especie. Los valores de la columna “reactividad” se obtienen dividiendo 1,24 × 10 −24 por el producto de la segunda y tercera columnas; cada valor indica el factor de desaceleración de las reacciones en relación con la reacción 2 D- 3 T en condiciones comparables. La columna "Criterio de Lawson" pondera estos resultados por E ch y da una indicación de la dificultad de lograr la ignición con estas reacciones, en comparación con la reacción 2 D- 3 T. La última columna, denominada "densidad de potencia", pondera la reactividad práctica por fusión E  ; da el factor de reducción de la densidad de potencia de fusión para una reacción particular frente a la reacción 2 D- 3 T, y puede verse como una medida del potencial económico.

Pérdidas por Bremsstrahlung en plasmas isotrópicos cuasi neutros

Los iones que se fusionan casi nunca lo hacen de forma aislada, sino que se mezclan con electrones que neutralizan la carga eléctrica de los iones para formar un plasma . Dado que los electrones generalmente tienen una temperatura comparable o superior a la de los iones, chocan con ellos y emiten rayos X cuya energía es del orden de 10 a 30  keV ( Bremsstrahlung o radiación de frenado ). El Sol y las estrellas son opacos a los rayos X , pero la mayoría de los reactores de fusión de la Tierra tienen un espesor óptico bajo para los rayos X de este rango de energía. La reflexión de los rayos X es difícil de obtener, pero son absorbidos (y convertidos en calor) por un espesor de acero inoxidable de menos de 1 mm (que forma parte del blindaje de un reactor). La relación entre la potencia de fusión producida y estas pérdidas es un criterio de calidad importante de la reacción. El valor máximo de esta relación se obtiene generalmente a una temperatura mucho más alta que la que hace la densidad de potencia máxima (ver el subcapítulo anterior). La siguiente tabla muestra la temperatura óptima aproximada, así como la relación de potencia a esa temperatura para varias reacciones.

Es probable que las verdaderas relaciones entre el poder de fusión y el poder de Bremsstrahlung sean notablemente más débiles, por varias razones. En primer lugar, los cálculos asumen que la energía de los productos de fusión se transmite íntegramente a los iones del combustible, que luego la pierden por colisión en beneficio de los electrones, que a su vez pierden energía por Bremsstrahlung . Sin embargo, dado que los productos de fusión tienen una velocidad mucho más rápida que los iones de combustible, ceden una parte significativa de su energía directamente a los electrones. En segundo lugar, se supone que el plasma contiene solo iones combustibles. En la práctica, existe una proporción significativa de iones impurezas, lo que disminuirá la proporción. En particular, los propios productos de fusión deben permanecer en el plasma hasta que hayan perdido su energía y permanecerán allí durante algún tiempo, independientemente del método de contención previsto. Por último, todos los canales de pérdida de energía distintos de Bremsstrahlung se consideraron insignificantes. Los dos últimos factores están relacionados. Teórica y experimentalmente, el confinamiento de partículas y el confinamiento de energía parecen estar estrechamente relacionados. En un proceso de contención que retiene energía de manera efectiva, los productos de fusión aumentarán. Si los productos de fusión se expulsan de manera eficiente, la contención de energía será deficiente.

Las temperaturas para las que la relación entre las potencias de fusión y de Bremsstrahlung es máxima son en todos los casos superiores a aquellas para las que la densidad de potencia es máxima y el producto de triple fusión mínimo. Esto no cambia mucho el punto de operación óptimo para 2 D- 3 T porque la participación de Bremsstrahlung es pequeña, pero empuja a otros combustibles a regímenes donde la densidad de potencia relativa a 2 D- 3 T es aún menor, y la contención requerida aún más. difícil de lograr. Para 2 D- 2 D y 2 D- 3 He, las derrotas de Bremsstrahlung constituyen un problema grave, quizás incluso de bloqueo. Para 3 He- 3 He, p + - 6 Li y p + - 11 B, las pérdidas por Bremsstrahlung parecen hacer imposible la realización de un reactor de fusión usando estos combustibles con un plasma de cuasi-neutral isotrópica. Esta limitación no se aplica a los plasmas no neutros, ni a los plasmas anisotrópicos , que sin embargo tienen sus propios desafíos.

Seguridad

Existen muchos desafíos con respecto a la confiabilidad y seguridad para el funcionamiento a largo plazo. Varían según el tipo de reactor.

Se refieren en particular a:

• el confinamiento magnético que debe ser constante;
• el manejo de temperaturas y presiones muy altas;
• el manejo del tritio en los sectores produciendo y consumiendo;
• los riesgos combinados de corrosión y radiólisis para soluciones que operan a alta temperatura y / o presión. Deben inventarse nuevos métodos de ensayo de tensión y resistencia de materiales para simular las condiciones imperantes en el interior de este tipo de reactor;
• riesgo de terremotos y tsunamis.

Formación universitaria

Tras la decisión tomada en 2006 de llevar a cabo el proyecto ITER en Francia, varias instituciones de educación superior francesas se unieron a una federación de “Formación en Ciencias de la Fusión”. Esta formación tiene como objetivo preparar científicos e ingenieros de muy alto nivel, franceses o extranjeros, capaces de invertir en programas relacionados con la investigación sobre plasmas, fusión y energía. En particular en la explotación científica y técnica de grandes equipos asociados. La especialidad del máster abarca, por tanto, todos los campos científicos y tecnológicos relacionados con los medios ionizados por enfoques teóricos, de simulación y experimentales y ofrece una formación multidisciplinar sobre plasmas, en toda su variedad, materiales en irradiación, criotecnología y superconductividad, calentamiento de muy alta potencia por microondas o láseres e instrumentación. en ambientes extremos. La formación se lleva a cabo a través de tres cursos: dos se centran en la física ( fusión por confinamiento magnético y plasmas magnetizados por un lado, fusión por confinamiento inercial y plasmas densos por otro lado), un tercer curso es de contenido más tecnológico. física y tecnologías de plasma y fusión.

Con la fusión de algunas universidades, ocho establecimientos, repartidos en cuatro sedes en Francia, están coautorizados para impartir este diploma, con cursos que se llevan a cabo en paralelo en estos sedes y durante la agrupación de estudiantes en Cadarache y Burdeos:

• Universidad Aix-Marseille , Escuela Central de Marsella en la región PACA;
• Universidad de Burdeos en Nueva Aquitania;
• Universidad de Lorena , Facultad de Ciencias en Nancy  ;
• Universidad Pierre-et-Marie-Curie (París 6), Universidad Paris-Sud (París 11), École Polytechnique (ParisTech), INSTN para Île-de-France.

También se asocian cuatro escuelas de ingeniería:

• Escuela central de París  ;
• Supélec  ;
• SupOptique (ParisTech);
• ENSAM (ParisTech).

Notas y referencias

• (fr) Este artículo está tomado parcial o totalmente del artículo de Wikipedia en inglés titulado "  Fusión nuclear  " ( consulte la lista de autores ) .

Notas

1. Esta confusión parece haber sido hecha por muchos periodistas en los primeros días del accidente en la central nuclear de Fukushima Daiichi , así como por Michèle Rivasi , experta de Europe Écologie Les Verts para cuestiones de radiactividad (en Europa 1 le13 de marzo de 2011, durante el programa matutino de Europa ).

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Ver también

Bibliografía

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Artículos relacionados

• Energía nuclear
• Fusión por confinamiento magnético
• Fusión por confinamiento inercial
• Fusión aneutrónica
• ITER ( Reactor Termonuclear Experimental Internacional )
• Arma de fusión pura
• Fusión fría
• Nucleosíntesis
• Física del plasma
• Proceso COLEX
• Centro de Estudios de Energía Nuclear
• Agencia Internacional de Energía Atómica
• TAE Technologies  (en)

enlaces externos

• Fusión magnética , archivo CEA
• “Fusión nuclear: energía en abundancia” , The Scientific Method , France Culture , 12 de junio de 2019.