Alguna petjada de fusió?

2002/05/01 Roa Zubia, Guillermo - Elhuyar Zientzia Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Energia

Els combustibles fòssils no seran per sempre. El petroli i el carbó han estat cremats durant molt de temps i acabaran alguna vegada. Per exemple, en la creença que el petroli estava a punt d'acabar, s'han produït crisi en l'àmbit energètic. No obstant això, buscant més o menys en profunditat sempre s'ha trobat alguna altra font fins ara, però com el nostre consum és cada vegada major, fins quan es prolongarà aquesta situació? Hi ha qui diu que el combustible fòssil s'esgotarà cap a l'any 2200.

Existeixen dos tipus principals de combustibles alternatius: les energies renovables i la nuclear. Les renovables (solar, eòlica, hidrotermal, etc.) són ambientalment excel·lents, per la qual cosa s'inverteix molts diners en aquesta tecnologia. No obstant això, les renovables encara no estan disposades a fer front al consum de la nostra societat. Per tant, en molts pobles s'ha fet una aposta clara per l'energia nuclear.

Fissió i fusió

Utilitzar energia nuclear és una bona solució? El debat està de gom a gom, perquè des d'un punt de vista és clar que sí i des d'un altre clar que no. Les centrals nuclears permeten produir més energia de la necessària per al nostre consum, però els productes que intervenen en el procés i els residus radioactius que genera són altament perillosos. No obstant això, quan parlem d'energia nuclear, parlem de la fissió nuclear en general. Però hi ha un altre procés nuclear, la fusió. Què són tots dos?

Tots dos tenen a veure amb el nucli de l'àtom. La fissió és "trencar" grans nuclis. Per això, la matèria primera per a aquest procés és l'urani, l'àtom més gran de la naturalesa. No obstant això, no tots els nuclis d'urani són fàcilment fisionables: els isòtops radioactius són imprescindibles per a dur a terme aquest procés. L'urani s'enriqueix "" en aquests isòtops. Una altra solució és fer artificialment àtoms més pesats que l'urani, com el plutoni. Tots els isòtops del plutoni són radioactius, un element únic per a l'elaboració de bombes atòmiques. En les centrals de producció d'electricitat, no obstant això, la fissió té grans problemes, degut principalment al fet que els residus que salin del reactor són també radioactius.

L'ús de la fissió nuclear en centrals genera molts problemes de seguretat i residus.

La fusió és un procés oposat, és a dir, la unió i unió de dos petits àtoms. L'energia alliberada per aquest procés és molt major que la de la fissió, a més de tenir com a matèria primera petits àtoms no perillosos, uns isòtops de l'hidrogen. Aquest tipus d'hidrogen, anomenat deuteri, és molt abundant en la mar. No obstant això, perquè es produeixi la fusió cal donar-li una energia extra. La quantitat resultant és molt major, però l'activació del procés requereix molta energia. Per exemple, les bombes d'hidrogen que es van desenvolupar després de la Segona Guerra Mundial (és a dir, les bombes de fusió) havien d'utilitzar una petita bomba de fissió per a posar-les "en marxa". Això significa que per a fer esclatar la bomba H ha de prendre energia d'activació d'una altra bomba com la que es va llançar a Hiroshima.

Recerca energètica

Per això, no era possible explotar la fusió per a produir electricitat. Si la fusió es pogués produir a una temperatura controlable, es podria solucionar el problema de les centrals nuclears convencionals. Són molts els projectes que tenen a veure amb aquesta recerca: JET a la Unió Europea, JT-60U al Japó i NOVA, TFTR i DIII-D als Estats Units.

En 1985, la Unió Soviètica va proposar un projecte internacional de recerca de la fusió. Aquest projecte, denominat ITER, va ser llançat en col·laboració amb la Unió Europea, el Japó i els Estats Units. L'objectiu era investigar el següent pas lògic de les recerques de l'època: estudiar la física del plasma a alta temperatura en l'escala dels grans reactors. Projecte en curs. Segons els resultats obtinguts, a més de provocar la fusió, esperen adaptar-se per a produir electricitat.

Explosió atòmica.

En 1992 el Canadà i Kazakhstán també es van incorporar al projecte de la mà d'Europa i Rússia, que ja havia desaparegut de la Unió Soviètica. els Estats Units va abandonar el projecte a la fi de 1999.

En general, s'han provat tres estratègies de fusió. La gran energia d'activació és per a superar les forces de repulsió internucleares, carregats positivament i difícils de col·lidir, que d'alguna manera han de ser 'forçats' per a anar al mateix lloc. Les tres formes habituals d'aconseguir-ho són les de camp magnètic, camp gravitatori i moment d'inèrcia.

El Sol, per exemple, fusiona els àtoms d'hidrogen perquè el seu camp gravitatori és molt gran. Diversos experiments han buscat crear 'estrelles de laboratori'. Altres vegades es controlen amb grans camps magnètics perquè els àtoms puguin causar el xoc dels nuclis i, finalment, han estat els mitjans de la gran pressió exercida per la inèrcia.

En aquests tres tipus d'experiments els àtoms es troben en estat de plasma, és a dir, com a fluids de partícules carregades. El plasma condueix electricitat i a més pot controlar-se mitjançant camps magnètics. Abans de conèixer la recerca final, només es considerava adequada aquesta situació de fusió.

Esquema de l'últim experiment dissenyat per a provocar la fusió.

Ciència

Experiments sorprenents

Els físics Martin Fleischmann i Stanley Pons van anunciar en 1989 que va aconseguir una fusió freda (a temperatura de laboratori). L'anunci no es va realitzar en publicacions científiques sinó en mitjans habituals. A més, l'experiment no va poder repetir-se, per la qual cosa aquesta recerca es va considerar un gran fracàs.

Al març, la revista Science ha donat a conèixer un experiment de fusió freda. El físic estatunidenc Rusi Taleyarkhan, del laboratori Oak Ridge, va introduir l'acetona amb deuteri en lloc d'hidrogen en un recipient cilíndric i la va bombardejar mitjançant ones sonores. Al mateix temps, va bombardejar sobretot una gamma de neutrons d'alta velocitat. D'aquesta forma es van formar bombolles d'un mil·límetre de diàmetre que van interaccionar amb deuteris que suposadament es van convertir en fusió. Aquesta tècnica, denominada cavitació acústica, és independent de les tècniques utilitzades anteriorment.

Número de la revista Science en la qual s'ha publicat l'últim experiment.

Dos àtoms de deuteri creen, per fusió, un àtom d'heli i un neutró. Però això no és el que han vist els científics. De fet, en un mateix procés poden formar-se triti i protons, però sense que es produeixi una fusió. Els investigadors afirmen que s'han produït neutrons i triti, és a dir, que s'han produït totes dues reaccions, per la qual cosa anuncien que s'ha produït una fusió.

Un dels productes de l'experiment ha estat el neutró, però l'altre el triti. Per tant, la pregunta ha quedat en l'aire. La fusió ha ocorregut realment o només ha sorgit triti?

Els editors de la revista Science decideixen publicar l'article. Creuen, per tant, que la fusió es va produir realment? Aquesta revista, com totes les revistes de recerca, no publica articles sense el judici d'experts en la matèria. Així ho ha fet la revista Science amb l'article de la fusió.

Aquests experts van sol·licitar la detecció de neutrons amb un detector més precís. Llavors, els físics estatunidencs Donen Shapira i Michael Saltmarsh van intentar repetir l'experiment de Taleyarkhan amb aquest detector i no van detectar neutrons. Van concloure que no es produeix fusió. Però altres científics també han criticat aquest últim experiment.

Es va decidir informar en la revista Science de la fusió freda, decisió que es justifica en l'editorial. L'editor Donald Kennedy explica la polèmica suscitada. Acceptant aquest debat, els editors han defensat la necessitat d'informar d'aquesta mena de recerques i que en aquests casos els criteris no han de ser molt estrictes.

Science ha dit, però el debat està viu.

El Sol sap com fer-lo

La fusió en les estrelles és fàcil. De fet, els combustibles són grans quantitats d'hidrogen, en els quals a poc a poc es van formant nous elements atòmics. En la reacció de fusió més proporcional es genera l'heli a partir dels àtoms d'hidrogen.

Per a obtenir l'heli a partir de l'hidrogen es produeixen tres reaccions de fusió:

La unió de dos protons en el primer dóna lloc a un nucli deuteri, és a dir, a una estructura de protons neutrons. Això significa que un protó s'ha convertit en neutró, procés que es compensa per l'alliberament d'un positró i energia. En definitiva, un tros de matèria s'ha convertit en energia.

Per a veure aquesta foto pots anar al pdf.

El deuteri format en la primera reacció reacciona amb un altre protó en la segona per a formar un nucli de l'àtom heli-3. En aquest procés també s'allibera energia en forma de calor i radiació (raigs gamma). Heli-3 no és l'isòtop més estable de l'heli, però el procés no s'interromp. La tercera reacció consisteix en la reorganització entre dos nuclis d'heli-3, un únic heli-4, per a subministrar dos protons i energia.

S'allibera energia en els tres processos. Cal tenir en compte que perquè es produeixi la tercera reacció els dos anteriors han hagut d'ocórrer dues vegades. La major part és energia tèrmica, però també es genera radiació gamma. Aquesta energia procedeix de la matèria, com anunciava la teoria especial de la relativitat d'Einstein.

E = mc 2

Aquesta fórmula permet calcular fàcilment que un gram de matèria, quan es transforma en energia, allibera 9 x 10-13 juliols.

E = (10 -3 kg) (3 x 10 8 m/s 2 ) 2 = 9 x 10 -13 juliols

Encara que aquest número és difícil d'interpretar, amb altres comparacions es pot apreciar que és una gran quantitat d'energia. Si la fusió es fes a partir del deuteri i aquest deuteri fora d'aigües marines, 50 gots d'aigua de mar aportarien una energia equivalent a 2 tones de carbó.

Les quantitats d'energia es produeixen en aquestes proporcions en el Sol i estrelles similars. Però en el laboratori els científics han tractat durant anys d'influir en la fusió a partir dels àtoms de deuteri i triti. Com ja s'ha indicat, el deuteri es troba en aigües marines i el triti es pot obtenir del liti metall bombardejant amb neutrons.

Ara, en l'experiment del laboratori Oak Ridge s'ha partit de l'acetona deuterada per a provocar la fusió. Encara que ho han aconseguit, han produït molta menys energia de la que s'obté a partir del deuteri i del triti, aproximadament una quarta part.