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El primer experimento español de plasma de fusión, el TJ-II, ha cumplido 20 años.


Gabriel Barceló

25/01/2018

La fusión nuclear, como nueva fuente de energía, permitirá evitar el consumo de combustibles fósiles, sin daños ecológicos previsibles para nuestro entorno.


Nos encontramos actualmente en la fase de desarrollo de nuevas tecnologías para obtener energía, por medio de procedimientos de fusión nuclear. Hay varias alternativas teóricas posibles, que generan modelos técnicamente aplicables para este fin. Por ejemplo, nos podemos basar en la simulación de los procesos de fusión que suponemos se producen, de forma natural, en nuestro universo, como es la fusión nuclear en las estrellas o en nuestro Sol.
Ya en 2014 fue publicado que científicos del Laboratorio Nacional de Lawrence Livemore (LLNL) en Estados Unidos, había llevado a cabo una serie de experimentos de ignición termonuclear del reactor en el National Ignition Facility (NIF) que han confirmado una mejora en las reacciones de fusión, emitiendo más energía que la absorbida en el proceso. (Hurricane, O. A. et al. Fuel gain exceeding unity in an inertially confined fusion implosion. Nature (2014). DOI: 10.1038/nature13008. Nature 506, 343–348 (20 February 2014). DOI: 10.1038/nature13008).
El objetivo de estos reactores es obtener helio, un neutrón y energía de fusión, a partir de deuterio y tritio, de acuerdo con la siguiente fórmula:
 
H2 (D) + H3 (T) —> He4 + n + 18 MeV
 
Con los prototipos de la tecnología actual, el obstáculo más difícil de sortear en las reacciones de fusión termonucleares es el confinamiento del plasma. El plasma es un agregado de materia que en estado térmico de agitación, es capaz de vencer la atracción electromagnética de los electrones del núcleo del átomo. La configuración del Sol, es uno de los mejores ejemplos de plasma que es capaz de causar reacciones nucleares, que generan energía.
El Instituto I.V Kurchatov de Energía Atómica, de la Academia de Ciencias de la antigua URSS desarrolló el primer reactor de fusión nuclear tipo Tokamak en los años cincuenta del siglo XX. El proyecto fue desarrollado por los físicos rusos Igor Tamm y Andrei Sakharov.
Otros modelos de reactores se construyeron a partir de entonces, como el Joint European Torus (JET) en Inglaterra, que es también un reactor de fusión del mismo tipo. Fue financiado por la Comisión Europea, y ha estado en funcionamiento desde 1983. Es el reactor de fusión por confinamiento magnético más grande actualmente en el mundo.
Por otro lado, en España, en diciembre de 1997, se generaron los primeros plasmas de alta temperatura, en el TJ-II del CIEMAT, el primer experimento español de plasmas de fusión, permitiendo el inicio de importantes contribuciones científicas y tecnológicas. Este reactor, ha cumplido ya más de 20 años de funcionamiento.
Posteriormente fue creado el ITER, que también se basa en el concepto de confinamiento magnético de Tokamak, en el que el plasma está contenido en una cámara de vacío de forma toroidal. Es, por lo tanto, un reactor de fusión con forma de anillo cilíndrico, lo que explica por qué este diseño también es conocido como reactor "toro". El combustible se calienta a temperaturas por encima de 150 millones de °C, formando así plasma caliente. Los fuertes campos magnéticos que se utilizan para mantener el plasma lejos de las paredes, son creados por bobinas superconductoras que rodean el contenedor y por una corriente eléctrica que circula a través del plasma. El problema radica en la enorme dificultad de comprimir el combustible de manera uniforme.
En las estrellas, debido al confinamiento gravitatorio, asignamos a la propia gravedad la capacidad de comprimir el hidrógeno en una esfera perfecta y, por tanto, el gas se calienta de forma uniforme y homogénea. Tal uniformidad y homogeneidad es muy difícil de lograr con las condiciones técnicas actuales de un reactor.
El estudio de la dinámica del plasma magnetizado ha llegado a constituir una nueva disciplina científica conocida como Teoría Girocinética. Esta teoría se basa en los sistemas de ecuaciones de Maxwell y de Fokker- Plank, por consiguiente, las funciones y los campos de distribución resultantes están, todavía, en constante desarrollo. Sin embargo, la teoría está evolucionando de forma paralela a los avances tecnológicos, mientras que su resolución analítica y computacional está demostrando ser extremadamente compleja. Se ha tenido en cuenta en su desarrollo la naturaleza rotacional de los plasmas astrofísicos.
 
Criterios dinámicos
Independientemente de los antecedentes de estos estudios, y del constante avance en desentrañar el comportamiento físico de los reactores nucleares de tipo Tokamak, sugerimos una revisión de los criterios dinámicos que están siendo aplicados, dado que creemos que es posible que también se estén haciendo interpretaciones inapropiadas de los principios que están en juego de la Mecánica Clásica rotacional.
Proponemos aplicar el modelo dinámico desarrollado en la Teoría de Interacciones Dinámicas al plasma confinado, y, por tanto, conseguir un confinamiento dinámico natural. Sugerimos que cada partícula, en vez de seguir una trayectoria recta, como esperaríamos de las ecuaciones de Euler de la Mecánica Clásica, seguiría una trayectoria cerrada debida al acoplamiento de los campos de velocidades que se generan en todos los puntos de cada partícula.
El tema puede resumirse de la siguiente manera: si aplicamos nuestra teoría dinámica a un reactor Tokamak, todas las partículas del plasma con rotación intrínseca seguirán una trayectoria cerrada como la del bumerán cuando está sometido a momentos no coaxiales, además de disponer de su momento angular intrínseco. 
Debe destacarse que en nuestras investigaciones hemos llegado a la deducción racional del hecho de que en estas circunstancias, la energía cinética traslacional puede ser transformada en energía cinética de rotación, y viceversa, y en general, que esa transferencia de energía puede darse en las partículas dotadas con momento angular intrínseco: la energía cinética puede ser transferida, incrementando su velocidad de rotación, su velocidad lineal o modificando su potencial.  
A pesar de haber pasado más cincuenta años de desarrollos tecnológicos y teóricos, el camino a recorrer para poder disponer de reactores de fusión a nivel industrial es todavía largo, tanto en términos de física como de ingeniería.
En artículos anteriores, hemos propuesto una revisión profunda revisión de los principios de la mecánica clásica rotacional, especialmente para partículas sometidas a aceleraciones producidas por rotaciones simultáneas no coaxiales. En el artículo: Dynamic Interaction Confinement. (Barceló, G.: World Journal of Nuclear Science and Technology Vol.4 No.4, October 29, 2014. DOI: 10.4236/wjnst.2014.44031
http://www.scirp.org/journal/PaperInformation.aspx?paperID=51026&
http://dx.doi.org/10.4236/wjnst.2014.44031), proponíamos nuevas hipótesis dinámicas específicas y alternativas, para estos reactores, basadas en la Teoría de Interacciones Dinámicas (TID).
En la exploración de este nuevo tipo de confinamiento que proponemos, basado en la TID, sugerimos que ese confinamiento dinámico que sugerimos, sea compatible con el confinamiento magnético.
En su análisis matemático variacional, deberían ser tenidos en cuenta, parámetros no estimados en la mecánica clásica, como la propia rotación intrínseca de las partículas contenidas en el plasma, y la interacción dinámica resultante, debida a los campos gravitatorio y dinámico, sobre cada partícula del plasma. Estas ideas habían sido ya expuestas en: Dynamic Interaction: A New Concept of Confinement. (Barceló, Gabriel Global Journal of Science frontier Research: A physics & space science. GJSFR A Volume 16 Issue 3, 2016.
https://globaljournals.org/GJSFR_Volume16/E-Journal_GJSFR_(A)_Vol_16_Issue_3.pdf).
En el texto del segundo tomo del tratado: Nuevo Paradigma en Física, que próximamente será publicado en AMAZON, se desarrollarán con más amplitud estas propuestas dinámicas.

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Editado por
Gabriel Barceló
Eduardo Martinez
Fundador y presidente de diversas empresas, de asociaciones no lucrativas y de fundaciones, actuando como presidente de las mismas, ex-Presidente de la Federación de Ingenieros Industriales de España y ex -Vicepresidente del Instituto de la Ingeniería de España, Gabriel Barceló ha sido consultor en ingeniería de la edificación y asesor fiscal. Desde hace más de treinta y seis años desarrolla un proyecto de investigación científica sobre dinámica rotacional. Autor de numerosos libros, el último de ellos “Nuevo paradigma en Física” (Editado en inglés y español), y ha publicado más de cien artículos.




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