Tema 8 (bis) Flashcards
Número másico.
Número total de nucleones (neutrones y protones).
Fusión estable.
Ocurre hasta aprox. el hierro (Z=56). A partir de este elemento, los de mayor Z no se producen por fusión.
Proceso de fusión.
Proceso en el que dos núcleos de átomos ligeros se unen formando elementos más pesados.
- Para fusionarse, los núcleos deben superar la barrera coulombiana (gran temperatura).
- Se genera el estado de plasma.
Reacciones de fusión.
- Las más sencillas son la fusión de isótopos del hidrógeno: D-D (Deuterio-Deuterio), D-T (Deuterio-Tritio) y D-He (Deuterio-Helio).
- La reacción más eficiente es D-T:
D + T -> He(3.5 MeV) + n(14.1 MeV)
Combustible.
- Deuterio: isótopo estable del hidrógeno, presente en la naturaleza.
- Tritio: isótopo radiactivo (no estable), no existe en la naturaleza (contiene 2 neutrones).
Ciclo del tritio
Se usa para generar tritio a a partir de litio:
Li + n -> He + T + 4.8 MeV
Seguridad en una planta de fusión.
- Más segura que las plantas de fisión: la reacción de fusión se extingue de manera natural.
- La refrigeración no es tan importante como en los reactores de fisión.
- Emisiones de helio (seguras, sin problemas).
- Precaución con escapes de tritio.
Problema de la activación.
El bombardeo con neutrones no produce residuos radiactivos, pero puede producir materiales “activados”. El objetivo es que sean materiales de baja activación como aceros de alto contenido en cromo, vanadio y el carburo de silicio.
Métodos de confinamiento de fusión:
- Es necesario confinar el plasma.
- Confinamiento inercial.
- Confinamiento magnético.
Confinamiento inercial.
Se aprovecha la propia inercia de la materia al ser comprimida para mantener el material unido mientras se producen las reacciones termonucleares.
Se inyectan grandes cantidades de energía con láseres en muy poco tiempos (ns) y de forma muy localizada para alcanzar las temperaturas necesarias (100*10^6 K).
Laboratorio NIF en EEUU.
Confinamiento magnético.
Campo magnético ayuda a mantener el plasma confinado, ya que el plasma está formado por partículas cargadas.
Con geometría toroidal se puede confinar una partícula indefinidamente, de forma que la energía se mantenga en el plasma.
Tiempo de confinamiento de energía.
Es el tiempo en el que la energía almacenada en el plasma decae a 1/3 de su valor si se apagan todas las fuentes de calentamiento.
El tiempo depende de:
- Calidad del aislante
- Tamaño del sistema para una geometría determinada (si es pequeño se enfría más rápido).
Reacción eficiente.
- Generar más energía de la que usamos para calentar el plasma. Se necesitan: - Altas temperaturas - Buen tiempo de confinamiento - Densidad de iones suficiente
Ignición
El calor de las reacciones de fusión mantiene directamente las altas temperaturas sin necesidad de calentar desde el exterior.
Criterio de Lawson (Criterio del triple producto)
n * tau * T >= 5 * 10^21 kevm^-3s
n == densidad iónica
tau == tiempo de confinamiento
T == temperatura iónica
(tiene en cuenta que solo el 20% de la energía generada por la fusión sirve para mantener el calor del plasma. Son las partículas alfa las que mantienen el calor).
Criterio de Lawson: Confinamiento magnético vs inercial
Confinamiento magnético:
- tiempo de confinamiento: orden de segundos
- densidades bajas (por debajo de la densidad atmosférica)
Confinamiento inercial:
- Tiempos: orden de nanosegundos.
- Densidades muy altas (x1000 veces la densidad de un sólido normal).
Dispositivos de confinamiento magnético.
Todos los dispositivos parten de un conjunto de bobinas magnéticas (forma de toro, se genera campo toroidal).
Además se necesita un campo poloidal para confinar el plasma (perpendicular al toroidal).
Tokamak.
- El campo magnético poloidal se genera mediante una corriente inducida en el plasma.
Stellarator.
- El campo magnético poloidal se genera por bobinas externas con formas muy complejas.
- Son menos eficientes en el confinamiento que los tokamak, pero puede operar en estado estacionario sin disrupciones.
Funcionamiento de planta de fusión productora de electricidad.
- Reacciones D-T
- De las reacciones se obtienen partículas de He que depositan su energía en el plasma.
- También se obtienen neutrones que se van a usar para obtener tritio a partir de litio (manto fértil).
- El tritio y el helio son extraídos del manto fértil (el tritio se reintroduce en la cámara y el helio se separa).
- La energía almacenada en el manto fértil se extrae para producir el vapor que mueve la turbina.
Experimentos de fusión más importantes.
- JET (usan tokamak). Situado en Oxford (propiedad de la UE). Ganancia de Q = 0.6 (devuelve el 60% de la energía introducida).
- Experimento ITER (futuro): Colaboración de UE, Rusia, China, Japón, EEUU, etc. Comenzará su operación en 2025.
Previsión de Q: 5-10
