S'obre el camí per obtenir energia amb la construcció d'un "Sol a la Terra". Científics xinesos han aconseguit mantenir durant més de 17 minuts una temperaturagairebé cinc vegades superior a la que hi ha al centre del Sol.
El rècord s'ha assolit en el reactor d'EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak), que es troba a la ciutat de Hefei, al centre de la Xina, a l'Institut de Física del Plasma de l'Acadèmia Xinesa de Ciències (ASIPP).
Concretament, en el reactor es va assolir una temperatura d'uns 70 milions de graus durant 1.056 segons (17 minuts i 36 segons). En comparació, la temperatura del nucli del Sol és de vora 15 milions de graus.
La font de la notícia és Xinhua, l'agència oficial del govern de la República Popular de la Xina, que recull les declaracions de Gong Xianzu, científic de l'ASIPP:
"En un experiment a la primera meitat del 2021 vam aconseguir una temperatura del plasma de 120 milions de graus durant 101 segons. Aquesta vegada, l'operació s'ha mantingut estable durant 1.056 segons a una temperatura de vora 70 milions de graus, cosa que deixa una sòlida base científica i experimental per al funcionament d'un reactor de fusió."
La fissió i la fusió
A diferència de la fissió nuclear, que comporta el trencament d'un àtom, com el d'urani, en la fusió es produeix la unió de dos àtoms. En tots dos casos es genera energia.
La diferència és que en la fissió, el procés que es fa servir en els actuals reactors nuclears, es generen residus radioactius amb alta activitat durant milers d'anys. En canvi, els produïts en la fusió no són tan perillosos o només són actius uns quants anys.
Una altra diferència és el combustible: en el cas de la fusió no seria cap element radioactiu, sinó un tipus d'hidrogen.
La fusió nuclear és el procés pel qual el Sol i els altres estels generen energia. Dos àtoms de l'element més senzill, l'hidrogen, s'uneixen i formen heli, el segon element més simple. En aquest procés, es desprèn una gran quantitat d'energia.
El gran problema és que per imitar el procés calen una temperatura i pressió i una densitat de combustible molt elevades. Per això, de moment es gasta molta més energia de la que, en teoria, es podria obtenir.
El procés es du a terme amb deuteri, que és un isòtop de l'hidrogen. És gairebé inesgotable, perquè es pot extreure de l'aigua. L'aigua, com sabem, està formada per dos àtoms d'hidrogen i un d'oxigen, però en una fracció els dos àtoms són de deuteri. És l'anomenada aigua pesant.
Aquesta aigua pesant se separa i després se n'aïlla el deuteri. En les condicions adients, dos àtoms de deuteri es poden fusionar i donar-ne un d'heli i energia. Però en els reactors de fusió es fa servir una reacció més eficient, d'un àtom de deuteri amb un de triti, que és un altre isòtop de l'hidrogen. El resultat també és heli i energia. El triti, radioactiu i inestable, és molt escàs a la natura i s'obté a partir del liti.
Reactors de prova
Els reactors on s'intenta reproduir la fusió nuclear són del tipus anomenat tokamak, acrònim, en rus, de cambra toroïdal amb bobines magnètiques, creats als anys 50.
Són reactors en forma de toroide, és a dir, de tortell. L'energia produïda amb la fusió s'absorbeix a les parets i es fa servir per moure turbines i generar vapor o electricitat.
Els actuals reactors de fusió són experimentals i el seu objectiu és obtenir una prova de concepte, és a dir, demostrar que és factible obtenir energia a partir d'aquest procés.
En aquest objectiu, el 8 d'agost es va aconseguir un nou rècord a la Factoria Nacional d'Ignició del Laboratori Nacional Lawrence Livermore, a Califòrnia. Amb un làser molt potent es va aconseguir generar una potència de més de mil bilions de watts durant 100 bilionèsimes de segon.
Sembla un resultat espectacular mantingut durant un temps molt breu. De fet, amb l'energia generada tot just es podria fer bullir una tetera, però per als investigadors és la demostració que en els darrers anys s'està avançant molt per demostrar que amb la fusió es pot obtenir molta més energia de la que es consumeix.
No tot va orientat a obtenir energia, perquè Jill Hruby, administradora de l'Agència Nacional de Seguretat Nuclear, també va afirmar, després de saber el resultat, que també feia "avançar la ciència de la qual la NNSA depèn per modernitzar les nostres armes nuclears".
Sense perspectives a curt termini
El projecte més ambiciós per demostrar la viabilitat de la fusió nuclear a gran escala i desenvolupar-la és l'ITER, nom que en llatí vol dir "el camí". Està ubicat al sud-est de França, a Cadarache, a uns 70 quilòmetres de Marsella cap a l'interior.
Formen part del projecte 35 estats: la Unió Europea, el Regne Unit (que va confirmar que s'hi mantenia després del Brexit), el Japó, els Estats Units, Corea del Sud, l'Índia, Rússia i la Xina.
El disseny i la construcció són tan complexos que es preveu el primer assaig amb plasma a finals del 2025. El 2007 es va començar a preparar el terreny, de 42 hectàrees, i la construcció es va iniciar el 2020.
Entre altres elements, ITER necessita uns imants extraordinàriament potents, per poder confinar el plasma i mantenir-lo en una densitat prou elevada durant prou temps. El plasma és un quart estat de la matèria, que s'ha escalfat tant que els nuclis dels àtoms i els electrons estan separats.
Per crear la força magnètica necessària en els electroimants es consumeix molta energia. Per reduir-la, es fan servir materials superconductors. A l'ITER hi haurà 100.000 quilòmetres d'un fil superconductor fet amb un compost de niobi i estany.
Diversos països integrats a ITER continuen fent els seus mateixos experiments. D'una banda, serveixen per desenvolupar el projecte comú, però també els poden ajudar a prendre posicions en la cursa cap a la fusió nuclear.
Sigui com sigui, els més optimistes situen el primer reactor comercial cap a finals de la dècada del 2030 o el 2040. I els optimistes representen només una part de tots els que des del punt de vista científic, tècnic, econòmic o des d'altres perspectives treballen per assolir aquesta font d'energia teòricament molt barata, poc perillosa i gairebé inesgotable.
Article del 3.24 del Xavier Duran del dia de Reis del 2022
La fusió nuclear, més a prop: un experiment acosta l'energia dels estels a la Terra
Científics dels Estats Units han aconseguit que una reacció de fusió generi més energia de la necessària perquè es produeixi i, a més, que la calor generada retroalimenti el procés
Científics dels Estats Units han fet un nou petit pas cap a la viabilitat comercial de l'energia de fusió. Han aconseguit que la reacció generi més energia de la que ha consumit. Però el més destacat es la nova estratègia que han utilitzat, en què la calor generada per la reacció retroalimenta el procés i es produeix una disminució de l'energia necessària. La fita l'ha aconseguit un equip del Lawrence Livermore National Laboratory de Califòrnia, encapçalat per Alex Zylstra, i els resultats es publiquen a la revista Nature. En un segon article a la revista Nature Physics, Annie Kritcher, del mateix laboratori, descriu el disseny que ha permès assolir aquest èxit. La fusió nuclear és el procés pel qual el Sol i els altres estels generen energia. Dos àtoms de l'element més senzill, l'hidrogen, s'uneixen i formen heli, el segon element més simple. En aquest procés, es desprèn una gran quantitat d'energia. Però per imitar el procés calen una temperatura, una pressió i una densitat de combustible molt elevades i això fa gastar molta més energia de la que s'obté. En els reactors de fusió, el procés es du a terme amb dos isòtops de l'hidrogen: deuteri, que es pot obtenir en grans quantitats de l'aigua de mar, i triti, que es pot generar en el mateix reactor. A diferència de la fissió nuclear, en el procés que es fa servir en els actuals reactors nuclears no es generen residus radioactius que tinguin alta activitat durant milers d'anys. Treballant a la Factoria Nacional d'Ignició de Livermore, els investigadors van fer server un cilindre buit que mesurava pocs mil·límetres i hi van introduir uns 200 micrograms (milionèsimes de gram) de deuteri i triti.Els rajos dels 192 làsers convergeixen en el centre d'aquesta gran esfera per produir la reacció (Damien Jemison)Caldrà veure si l'objectiu civil s'imposa clarament o no al militar. Ho van escalfar amb 192 làsers i en pocs nanosegons (milmilionèsimes de segon) van assolir una temperatura de 50 milions de graus, que permet la combustió del plasma --un quart estat de la matèria, més enllà del gasós, en què els nuclis dels àtoms i els electrons que els envolten s'han separat. Això i la pressió que es creava en el cilindre a causa de la compressió del combustible permetien que comencés el procés de fusió nuclear del deuteri i el triti. Així es van generar un neutró i una partícula alfa --un nucli d'heli. Encara es consumeix molta energia per generar la reacció En els quatre experiments que van fer van obtenir cada vegada més de 100 kilojoules (kJ) d'energia i en un van assolir els 170 kJ. Això darrer és el triple del que s'ha obtingut en altres experiments. Però en termes absoluts és molt poc. Només per fondre un gram de gel i transformar-lo en aigua líquida calen 0,33 kJ. Per tant, amb l'energia obtinguda en el reactor tot just podríem fondre una mica més de mig quilo de glaçons. A més, el balanç es refereix a l'energia generada en la reacció respecte a la que s'ha transmès al deuteri i al triti. Però cal comptar-hi tota l'energia consumida per fer funcionar els làsers. Així, superem els 400.000 kJ. El resultat seria que per obtenir 170 kJ n'hem gastat més de 400.000! Però en fusió nuclear els avenços són lents i els passos importants molt petits. El més destacat de l'experiment no és l'energia obtinguda, sinó que les partícules alfa produïdes també contribueixen a escalfar el combustible. I això pot permetre que el procés es retroalimenti i es mantingui. A l'energia dirigida al cilindre, doncs, s'hi afegiria la que el mateix procés va generant. El disseny i la construcció de cada element del reactor han de ser molt fins i estrictes. La protecció de la càpsula s'ha fet amb diamant policristal·lí polit i tenia mot poc gruix. Qualsevol petit defecte en l'estructura disminueix l'eficiència del conjunt per generar calor. En un comentari publicat en el mateix número de Nature, Nigel Woolsey, de la Universitat de York, afirma que aquest treball fa avançar en la física de combustió d'un plasma que es pot autoalimentar per seguir el procés i que això permetrà una gran gamma de nous estudis científics. I si bé reconeix que encara no és clar si aquesta investigació conduirà a una futura font d'energia viable, conclou amb aquest comentari: "Però l'objectiu de desenvolupar un combustible que mitigui els perills del canvi climàtic mentre ens permet a tots gaudir dels beneficis de l'electricitat fa que clarament valgui la pena prosseguir." A primers de gener, científics xinesos van anunciar que amb la fusió nuclear havien aconseguit mantenir durant més de 17 minuts una temperatura de 70 milions de graus. Ara, a Livermore s'ha fet un altre pas. Encara queda molta recerca i moltes proves a fer abans que la fusió nuclear pugui ser una realitat comercial. I, a més dels problemes tècnics, cal prestar atenció al que també apunta Woolsey: "Algunes d'aquestes recerques seran bàsiques per a la seguretat nacional, perquè la Factoria Nacional d'Ignició està finançada com a part del programa dels Estats Unts per millorar la comprensió de les armes nuclears i els entorns extrems."
Article del 3.24 del Xavier Duran del 28 de gener de 2022
