Ciencia Megaproyectos Científicos 3: ITER

Quiero empezar una serie de hilos sobre megaproyectos científicos, si os interesa. Decir que ya tenía publicados 2 hilos hace meses sobre el Telecopio James Webbla y la Nueva Estación Espacial Internacional, que los considero la parte 1 y 2, por eso empiezo esta "nueva" serie ya por el capítulo 3. Os los dejo aquí si os interesa:

TELESCÓPIO ESPACIAL JAMES WEBB: Un salto para la humanidad sin precedentes

ADIÓS A LA ESTACIÓN ESPACIAL INTERNACIONAL: Cómo es y su futura desaparición

ITER

1- INTRODUCCIÓN

El ITER o Reactor Termonuclear Internacional Experimental es el megaproyecto más importante que Europa está llevando a cabo, y uno de los más importantes del mundo.

Su construcción se inició en 2010, en la localidad francesa de Cadarache, y cuenta con la colaboración de la Unión Europea, India, Japón, Rusia, Estados Unidos, Corea del Sur y China. El reactor experimental de fusión ITER tiene como objetivo probar la viabilidad de la fusión como fuente de energía. No obstante cabe recalcar que "el reactor de fusión nuclear ITER no producirá energía eléctrica. El objetivo del reactor ITER es resolver los problemas científicos y técnicos críticos a fin de poder utilizar la fusión nuclear en aplicaciones industriales. Se calcula que tendrá un factor de ganancia de 10, es decir, que por cada 50MW de entrada el reactor producirá 500MW de salida."

La Unión Europea es el mayor socio de ITER, con un 45,4% del total, y el coste, según Bigot, alcanzará los 20.000 millones de euros. Los demás países participan con un 9,1% cada uno.

En enero de 2022, el proyecto estaba ya completado en un 75,6% de su total. Y si todo sigue según lo previsto, en 2025 el reactor se pondrá en marcha, y en 2040 ITER demostrará la rentabilidad energética de la fusión nuclear.




"La magnitud de este desafío solo es comparable a la de los tres megaproyectos científicos del siglo XX: el desarrollo de la bomba atómica en los años 1940 (Proyecto Manhattan), lallegada del hombre a la Luna en los 1960 (Programa Apolo) y la puesta en órbita de la Estación Espacial Internacional en los 1990, o los del siglo XXI: Proyecto del Genoma Humano (aún en marcha) y el Gran Colisionador de Hadrones."




2- OBJETIVOS

Se trata de recrear en la Tierra, a pequeña escala, el mismo proceso que alimenta de energía a las estrellas en el universo, como el Sol. Es un fenómeno natural en el que intervienen grandes cantidades de energía, pero que todavía no se ha logrado reproducir de manera artificial. De conseguirlo, estaríamos ante una fuente de energía limpia, segura, barata y virtualmente inagotable.

En 2028 arrancarán las pruebas de baja potencia con hidrógeno y helio. En 2032 se iniciarán los tests de alta potencia con esos mismos gases, y tres años más tarde, en 2035, comenzarán las pruebas de alta potencia con deuterio y tritio. Y, por fin, si los tests con estos dos isótopos del hidrógeno salen bien, en 2040 ITER debería demostrar la rentabilidad energética de la fusión nuclear. Con ello se pretende que la la fusión nuclear tenga un papel protagonista en la adopción de un modelo energético sostenible y respetuoso con el medio ambiente que, si todo sale según lo previsto, llegará durante la década de los 60.



3- SU ESTADO ACTUAL (2020-2022)

Cuando esté terminado, el reactor pesará 23 000 toneladas; el radio de la sección en la que quedará confinado el plasma medirá 6,2 metros, y la cámara de vacío que contendrá el combustible a más de 150 millones de grados Celsius tendrá un volumen de 840 m³.



Algunas parte de los componentes del reactor diseminados por el edificio que lo va a albergar




Habitáculo en el que está siendo instalado el reactor de fusión nuclear. Cuando concluya su ensamblaje esta será la máquina de este tipo más grande construida por el ser humano, aunque probablemente será superada por DEMO, que será el reactor de prueba que la sucederá.




Parte superior del Criostato, que es una descomunal cámara de acero inoxidable de 29 x 29 metros que tiene un peso de 3850 toneladas y un volumen de 16 000 m³. Tiene la responsabilidad de proporcionar el alto vacío necesario para que se den en el interior de la cámara las condiciones requeridas para que se produzca la fusión de los núcleos de deuterio y tritio que conforman el plasma a alta temperatura.El criostato también se encarga de preservar el entorno ultrafrío necesario para que los imanes superconductores lleven a cabo su labor




Justo en el centro del tokamak, en el hueco del dónut, irá colocado el corazón de su complejo motor magnético. Este componente es un potentísimo imán superconductor que se responsabiliza de inducir en el plasma una enorme corriente eléctrica. Además, este solenodie optimiza la forma del plasma, lo estabiliza y lo calienta gracias a un mecanismo conocido como efecto Joule.

El "Tokamak" se trata de una máquina experimental diseñada para aprovechar la energía de fusión. La energía se absorbe dentro del Tokamak en forma calor, adherido a las paredes de la vasija. La central de fusión utiliza este calor para producir vapor y después electricidad mediante turbinas y generadores. En un dispositivo Tokamak se utilizan campos magnéticos muy potentes para confinar y controlar el plasma.





Bobina de campo poloidal. Esta es una de las bobinas que se responsabilizan de generar el campo magnético que se encarga de confinar el plasma. Cuando el reactor se ponga en marcha será necesario refrigerarlas hasta los 5 kelvin utilizando helio supercrítico. De hecho, antes de instalarlas en su lugar los operarios de ITER las someten a un test de estrés térmico introduciéndolas en una cámara criogénica y enfriándolas hasta los 80 kelvin (-193,15 grados Celsius). Los tres ciclos de calentamiento y enfriamiento sucesivos a los que se somete cada bobina se prolongan durante todo un mes.





Varios operarios están ensamblando la segunda sección de la cámara de vacío del reactor. En el margen izquierdo de esta foto podemos ver un panel de un tono amarillento que también tiene un tamaño considerable. Es el escudo térmico que se responsabiliza de revestir la cámara de vacío para proteger sus paredes del intensísimo calor al que es sometido el plasma para que tenga lugar la fusión de los núcleos de deuterio y tritio.





La siguiente fotografía muestra la misma pieza en la que hemos indagado en la imagen anterior, pero vista desde abajo. Cada una de estas secciones de la cámara de vacío pesa 440 toneladas.




Sección de la cámara de vacío en la que los operarios están trabajando en este momento.



4- FUNCIONAMIENTO

La fusión es la reacción nuclear que tiene lugar en el Sol y las estrellas. Los núcleos de hidrógeno colisionan gracias a la alta temperatura y la fuerza de gravedad que se producen en el núcleo de estos cuerpos estelares, fusionándose hasta formar átomos de helio más pesados y liberando enormes cantidades de energía.
Según la ciencia de fusión, la reacción de fusión más eficiente es la conocida como DT, que se produce entre dos isótopos de hidrógeno, deuterio (D) y tririo (T). Esta reacción produce la mayor cantidad de ganancia de energía con las temperaturas más bajas.
Para obtener fusión en un laboratorio deben cumplirse tres condiciones: una temperatura muy elevada (aproximadamente 100 millones de grados Celsius), la suficiente densidad de partículas de plasma (para aumentar las posibilidades de que se produzcan colisiones) y el suficiente tiempo de contención (para mantener el plasma, que tiene tendencia a expandirse, dentro de un volumen definido).

"El reactor se compone de una gran cámara de confinamiento magnético de tipo Tokamak de 23.000 toneladas de peso que tiene forma de rosquilla. Este diseño ya fue ideado por científicos soviéticos en la década de 1950 y en 1986 se formó un comité internacional para supervisar el desarrollo del proyecto. El plan es que, cuando concluyan los ensayos, ITER pueda dar paso a una central de fusión capaz de producir energía eléctrica —como hacen las actuales centrales termoeléctricas, que queman combustibles fósiles o rompen átomos radiactivos para generar calor y producir vapor, que se utiliza para hacer girar una turbina y producir electricidad."

5- ¿QUÉ PODRÁ HACER EL ITER?

El Tokamak de ITER tiene un volumen de plasma diez veces superior al dispositivo en funcionamiento más grande actualmente:

-Desarrollar una potencia de 500 MW
-Demostrar la operación integrada de tecnologías para una central de fusión
-Conseguir plasma de deuterio y tritio donde la reacción sea prolongada mediante calentamiento interno
-Hacer pruebas para la producción de tritio
-Demostrar la seguridad de las características de un dispositivo de fusión






El desarrollo de la fusión nuclear como alternativa energética no es solamente un proyecto de futuro, sino que probablemente será la gran solución energética de la próxima generación. Y recordad, si las previsiones se cumplen, será viable a lo largo de la segunda mitad de este siglo. Un saludo a todos