Un Sol en la Tierra / A Sun on Earth

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_{Preamplificador de los láseres del reactor del Laboratorio Lawrence Livermore / Preamplifier of the Lawrence Livermore Laboratory reactor lasers. Fuente / Source}

Español

Un Sol en la Tierra

Desde el inicio de la era nuclear, se ha hablado constantemente de la capacidad de las reacciones nucleares para generar la electricidad necesaria para saciar las, constantemente en aumento, necesidades planetarias.

Sin embargo, aunque en buena parte del primer mundo las plantas de generación eléctricas a partir de energía nuclear han sido una realidad que ha generado energía de manera relativamente limpia durante ya varias décadas, incidentes como los de Isla Mil Millas, Chernóbil y Fukushima, han demonizado, en buena parte de la cultura popular, la imagen de la generación de energía por fisión nuclear.

Aparte de estos lamentables incidentes, también se cierne sobre este tipo de generación eléctrica, el riesgo que implica el manejo de los desperdicios que produce, que, si bien es un riesgo potencialmente menor que sus beneficios, siempre existen otras alternativas energéticas más limpias, aunque menos eficientes, que ante la opinión pública resultan preferibles. [1][4]

Sin embargo, existe otra forma de liberar la energía nuclear que es potencialmente, más limpia y eficiente, que la que se ha estado usando hasta la fecha, y es en lo que varios equipos, alrededor del mundo, están trabajando arduamente, como la mejor alternativa, a futuro, para satisfacer los requerimientos energéticos de la humanidad. [1][2][3]

Existen dos métodos para conseguir aprovechar la energía de las reacciones nucleares, el primero es el que se ha usado por varias décadas para generar electricidad, se trata de la fisión nuclear, ésta consiste en usar un proyectil, un neutrón en este caso, para fracturar un núcleo atómico de un elemento de alto peso atómico, y poca estabilidad, como el uranio o el plutonio. Esta fractura, genera al menos dos nuevos núcleos atómicos de elementos diferentes al original, además de energía y otros neutrones libres que continuarán con el proceso de fisión, formando una reacción en cadena. Es la energía liberada en forma de calor la que es usada para generar vapor y a partir de él, electricidad. [1][4]

Sin embargo, existe otro proceso nuclear a partir del cual potencialmente se pueden generar grandes cantidades de electricidad, de hechos cantidades que sobrepasan con creces, a las generadas a partir de la fisión, y se trata de la reacción que hace posible nuestra existencia y la de todo el planeta en sí, así como la de todo el sistema solar, siendo a la vez la que directa e indirectamente es el origen de toda la energía que consumimos, se trata de la reacción de fusión nuclear, que es la misma que hace brillar y generar calor al Sol, suficiente como para hacer posible nuestra existencia. [1][2][3]

La reacción de fusión consiste en la fusión de núcleos atómicos, que, si bien en una estrella puede tratarse de una variedad de elementos, de acuerdo al estadio de vida en que se encuentre, y que va del hidrógeno en estrellas jóvenes y adultas, hasta el silicio en algunas moribundas. En el caso que nos atañe, se trataría exclusivamente del Hidrógeno, específicamente dos de sus isotopos, el deuterio de peso atómico 2 y el tritio de peso 3. [1][2][3]

Durante el proceso de fusión de estos dos isotopos de hidrógeno se genera un núcleo de helio, un protón, y radiación que al igual que en la fisión nuclear, puede ser usada para generar electricidad a través de turbinas de vapor. Y como se puede ver del proceso, se obtiene helio, que es un gas inerte, e inofensivo y calor, sin ningún otro desperdicio contaminante como sucede con los generados durante la fisión nuclear. [1][3]

El problema con la fusión nuclear, es que, a diferencia de la fisión, que es relativamente fácil de conseguir, requiere de altas temperaturas y presiones para producirse, tanta como la que existe en el núcleo de una estrella, que es donde naturalmente ,sucede, la presión suficiente como para hacer que dos núcleos atómicos, que por efecto de la fuerza electromagnética se repelen, puedan aproximarse tanto, como para que la fuerza atómica fuerte, que aunque es mucho más mayor que la fuerza electromagnética, sólo actúa a distancias diminutas, lo suficientes como para ocasionar la unión de ambos núcleos, esta presión, en una estrella joven y adulta es proporcionada por la gravedad de los cientos de millones de toneladas que pesa la estrella; pero en la Tierra, requiere de medios tecnológicos para conseguirse. [2]

El mayor problema que alberga la generación de energía de Fusión, está en que es necesaria más energía para hacer viable la reacción de fusión, que la que produce la reacción misma, por lo que, de momento, no resulta energéticamente rentable la producción de electricidad por este método. Sin embargo en los últimos días de este año, específicamente el 5 de diciembre, se ha marcado un hito en la producción de energía a través de la fusión nuclear y es que un equipo del Laboratorio Lawrence Livermore, situado en California, Estados Unidos, ha anunciado que por algunos milisegundos logró conseguir producir mediante fusión nuclear 3,15 mega julios de energía, tras una inyección de 2,05 mega julios, lo que representa un coeficiente de rentabilidad energética de 1,54, esto usando el método de confinamiento inercial para conseguir la reacción. [1]

Ahora bien, en la actualidad para la generación de energía por fusión nuclear, se está experimentando con dos métodos para conseguir la presión y temperatura necesaria para hacer posible las reacciones nucleares, estos métodos son el de Confinamiento Magnético y el Confinamiento Inercial. [1][3]

El Confinamiento Magnético, consiste en insertar en un potente campo magnético toroidal (con forma de rosquilla), gas hidrógeno (deuterio y tritio), cuyos átomos, como efecto del electromagnetismo se aceleran y calientan hasta ionizarse para formar un plasma, en el cual gracias al efecto túnel se fusionan los núcleos atómicos, formando helio, y produciendo energía que se suma a la cadena de reacciones. Si bien este es uno de los métodos más estudiados y con los que sean construido más reactores a nivel mundial, a través de él aún no se ha logrado conseguir la eficiencia energética. [1][3]

Por su parte el Confinamiento Inercial, consiste en insertar al reactor el hidrógeno (deuterio y tritio) comprimido en pequeñas cápsulas milimétricas que son introducidas en un contenedor metálico y bombardeadas con pulsos de potentes láseres, que consiguen comprimir los núcleos aún más, hasta lograr que se fusionen e inicien la reacción en cadena, haciendo que las capas externas de la cápsula estallen, en un proceso similar al de una supernova, este es el método usado en el Laboratorio Lawrence Livermore por medio del cual se ha anunciado la consecución de eficiencia energética, al menos por algunos milisegundos. [1][3]

_{Microcapsula de combustible de fusión Fuente}

Si bien el anuncio de Laboratorio Lawrence Livermore, resulta alentador, en cuanto a las posibilidades de la consecución de un futuro de generación eléctrica limpia, gracias a la fusión nuclear, aún falta mucho para hacer que esto sea posible, pues aún a corto plazo, los datos de este experimento debe ser evaluados por pares, para avalar sus resultados, y más allá de este paso queda la difícil tarea de hacer posible que las reacciones de fusión se prolonguen más allá de pocos milisegundos a años, para que sean realmente aprovechables.

Texto de @amart29, Barcelona, Venezuela, diciembre de 2022

English

A Sun on Earth

Since the dawn of the nuclear age, there has been constant talk of the ability of nuclear reactions to generate the electricity needed to meet the ever-increasing planetary needs.

However, although in much of the first world nuclear power plants have been a reality that has generated relatively clean energy for several decades now, incidents such as Thousand Mile Island, Chernobyl and Fukushima have demonized, in much of popular culture, the image of nuclear fission power generation.

Apart from these unfortunate incidents, this type of power generation is also subject to the risk involved in handling the waste it produces, which, although it is a potentially lower risk than its benefits, there are always other cleaner, albeit less efficient, energy alternatives that are preferable in the eyes of the public. [1][4]

However, there is another way to release nuclear energy that is potentially cleaner and more efficient than what has been used to date, and this is what several teams around the world are working hard on as the best future alternative to meet the energy requirements of mankind. [1][2][3]

There are two methods to take advantage of the energy of nuclear reactions, the first is the one that has been used for several decades to generate electricity, it is nuclear fission, which consists of using a projectile, a neutron in this case, to fracture an atomic nucleus of an element of high atomic weight and low stability, such as uranium or plutonium. This fracture generates at least two new atomic nuclei of elements different from the original, as well as energy and other free neutrons that will continue the fission process, forming a chain reaction. It is the energy released in the form of heat that is used to generate steam and from it, electricity. [1][4]

However, there is another nuclear process from which potentially large amounts of electricity can be generated, in fact amounts that far exceed those generated from fission, and it is the reaction that makes possible our existence and that of the entire planet itself, as well as the entire solar system, being both directly and indirectly the origin of all the energy we consume, it is the nuclear fusion reaction, which is the same that makes the Sun shine and generate heat, enough to make possible our existence. [1][2][3]

The fusion reaction consists of the fusion of atomic nuclei, which, although in a star can be a variety of elements, according to the stage of life in which it is, ranging from hydrogen in young and adult stars, to silicon in some dying ones. In the present case, it would be exclusively hydrogen, specifically two of its isotopes, deuterium of atomic weight 2 and tritium of atomic weight 3 [1][2][3].

During the fusion process of these two hydrogen isotopes, a helium nucleus, a proton, and radiation are generated which, as in nuclear fission, can be used to generate electricity through steam turbines. And as can be seen from the process, helium is obtained, which is an inert, harmless gas, and heat, without any other polluting waste as happens with those generated during nuclear fission. [1][3]

The problem with nuclear fusion is that, unlike fission, which is relatively easy to achieve, it requires high temperatures and pressures to be produced, as much as exists in the core of a star, which is where it naturally happens, enough pressure to make two atomic nuclei, which by the effect of electromagnetic force repel each other, This pressure, in a young and adult star, is provided by the gravity of the hundreds of millions of tons that the star weighs, but on Earth, it requires the means to make it possible for the atomic force, which is much greater than the electromagnetic force, to bring the two nuclei together; but on Earth, it requires technological means to achieve it. [2]

The biggest problem with fusion power generation is that more energy is needed to make the fusion reaction viable than is produced by the reaction itself, so that, for the time being, it is not energetically profitable to produce electricity by this method. However, in the last days of this year, specifically on December 5, a milestone in the production of energy through nuclear fusion has been marked and a team from the Lawrence Livermore Laboratory, located in California, United States, has announced that for a few milliseconds managed to produce 3.15 mega joules of energy through nuclear fusion, after an injection of 2.05 mega joules, which represents an energy profitability coefficient of 1.54, this using the inertial confinement method to achieve the reaction. [1]

Now, at present for nuclear fusion power generation, two methods are being experimented with to achieve the necessary pressure and temperature to make nuclear reactions possible, these methods are Magnetic Confinement and Inertial Confinement. [1][3]

Magnetic Confinement consists of inserting hydrogen gas (deuterium and tritium) into a powerful toroidal magnetic field (shaped like a doughnut), whose atoms, as an effect of electromagnetism, accelerate and heat up until they ionize to form a plasma, in which, thanks to the tunneling effect, the atomic nuclei fuse, forming helium, and producing energy that is added to the chain of reactions. Although this is one of the most studied methods and the one with which most reactors have been built worldwide, energy efficiency has not yet been achieved through it. [1][3]

Inertial Confinement, on the other hand, consists of inserting compressed hydrogen (deuterium and tritium) into the reactor in small millimeter capsules that are introduced into a metal container and bombarded with pulses of powerful lasers, which manage to compress the nuclei even more, This is the method used at Lawrence Livermore Laboratory to achieve energy efficiency, at least for a few milliseconds, which has been announced. [1][3]

_{Fusion fuel microcapsule. Source}

Although the announcement of Lawrence Livermore Laboratory, is encouraging, in terms of the possibilities of achieving a future of clean electricity generation, thanks to nuclear fusion, there is still a long way to go to make this possible, because even in the short term, the data from this experiment must be evaluated by peers, to endorse their results, and beyond this step remains the difficult task of making possible that fusion reactions are prolonged beyond a few milliseconds to years, to be really usable.

Text of @amart29, Barcelona, Venezuela, December 2022