Fusio-energia

Fusio termonuklearra lortu zuen lehenengo esperimentua 1958. urtean egin zen, deuterioa erabiltzen zuen Scylla I gailua erabiliz LANL[2] laborategian. Hurrengo hamarkadetan zehar, hainbat egitura eta metodo proposatu ziren etengabeko aurrerapausoak emanez arlo honetan (tokamak kontzeptua, tokamak esferikoak etab.).[3]

Fusio-energia lehen aldiz askatzea 1991. urtean lortu zen, Joint European Torus erreaktorea erabiliz, Preliminary Tritium Experiment deritzon esperimentuan hain zuzen ere. Horretan jarraituz, alde batetik, 1996. urtean Tore Supra erreaktoreak milioi bat ampereko plasma-fluxua lortu zuen bi minutu baino gehiagotan eta, bestetik, JET erreaktoreak 16.1 MW-ko energia produzitzea lortu zuen (10MW baino gehiagoko produkzioa mantendu zuen 0.5 segundotan zehar). [4]

Ikerketak aurrera jarraiturik, berrikuntza ugari agertu ziren arlo honetan mende berriarekin batera, hala nola konfinamendu inertzialeko fusioa. Metodo berri honi zuzendutako lehen erreaktorea Txinan eraiki zen 2006. urtean, EAST izenekoa. Bertan, iman supereroaleak erabili zituzten lehen aldiz eremu toroidal eta poloidalak sortzeko.

Ignizio Zerbitzu Nazionalaren aurreanplifikadoreak

Aipagarria da mende hasieran zenbait fusio-korporazio pribatu energia hau sortu eta aprobetxatzeko lehian sartu zirela, esate baterako, Tri Alpha Energy[5] (C-2U gailua garatu zuen taldea) edo General Fusion[6] (plasma injektatzeko teknologia asmatu zuen enpresa).

Urteak aurrera joan ahala, inbertsio publiko eta pribatu ugarien ondorioz, teknologia nabarmenki garatu zen. Horren ondorioz, 2015. urtean MIT unibertsitateak ARC izeneko fusio erreaktorea aurkeztu zuen, gainerako diseinuek besteko gaitasuna zuen eremu magnetiko indartsuak sortzeko, baina tamaina askoz txikiagoa izanik. Horri esker, Eni enpresak 50 milioi dolar inbertitu zituen teknologia hau merkaturatu nahian.[7]

2021eko urrian, First Light Fusion korporazioak aluminiozko diskoak jaurti zituen fusio-erregaiaren kontra, bero moduan aprobetxatu daitekeen energia ugariko neutroiak askatuz. Honi jarraituz, 2022ko apirilean, jaurtigai hipersonikoak fusioarekin bateragarriak diren neutroiak askatzeko gai zirela ikusi zuen enpresa honek, deuterioa 100TPa baino presio altuagoetan konprimitu zutelarik.[8]

Lawson-en irizpideak erakusten du energiaren ekoizpena nola aldatzen den tenperaturaren, dentsitatearen eta edozein erregai jakinen talka-abiaduraren arabera. Ekuazio hori funtsezkoa izan zen John Lawson-en fusio-azterketan. Lawsonek energia-balantze hau hartu zuen:[10]

$${\displaystyle P_{\text{irteera}}=\eta _{\text{capture}}(P_{\text{fusio}}-P_{\text{eroale}}-P_{\text{erradiazio}})}$$

P_irteera: fusioan lortzen den potentzia garbia.

η_capture: irteerako energia harrapatzeko eraginkortasuna.

P_fusio: fusio-erreakzioek askatutako energiari dagokion potentzia.

P_conduction: konduktibitate galera, masa energetikoa plasmatik ateratzearen ondoriozkoa.

P_erradiazio: erradiazio galerak.

Fusioak sortzen duen energia harrapatu eta aprobetxatzeko hainbat irtenbide proposatu dira. Ohikoena fluido jakin bat berotuz egiten da. Hau da, D-T erreakzioak bere energiaren zati handi bat mugimendu azkarreko neutroi gisa askatzen duenez, hauek erreaktorearen nukleoa inguratzen duen litiozko "manta" lodi baten bidez harrapatzen dira diseinu gehienetan. Energia handiko neutroi batek jotzen duenean, manta berotu egiten da eta berotze horren aurka manta hoztu egiten duen fluidoa da potentzia produzitzen duen turbina eragiten duena.[11]

D-T erreakzioaren diagrama.

Erreakzio nuklear errazena eta erregai kantitate txikiena erabiltzen duena, D+T (deuterioa + tritioa) deritzona da:

$${\displaystyle {\ce {D_{1}^{2}{+}T^{3}_{1}->He_{2}^{4}(3,5 MeV){+}n^{1}_{0}(14,1 MeV)}}}$$

Erreakzio hori ohikoa da ikerkuntzan eta baita aplikazio industrial zein militarretan ere, gehienetan neutroi-iturri gisa. Deuterioa hidrogenoaren isotopo naturala da eta, normalean, ugaria da. Tritioa ere hidrogenoaren isotopo naturala da; alabaina, 12.32 urteko bizitza laburra du eta aurkitu zein biltegiratzeko zailagoa da.

D-T fusioko erreaktore komertzial batean espero den neutroi-fluxua fisio-energiazko erreaktoreetan gertatzen dena baino 100 aldiz handiagoa da, gutxi gorabehera. Hori dela eta, prozesu honetarako materialen diseinuan arazo ugari egoten dira.

Deuteriozko bi nukleo bateratzea da bigarren fusio-prozesurik errazena. Erreakzioak bi adar ditu:

Deuterioaren zeharkako sekzioa ioien talka-energia desberdinetan.

$${\displaystyle {\ce {D +D->T{+}H^{1}}}}$$

$${\displaystyle {\ce {D +D->He^{3}{+}n}}}$$

Prozesu hau ere ohikoa da ikerkuntzan. Hala ere, hasiera-energia 15 KeV ingurukoa da kasu honetan, D-T erreakzioan baino pixka bat handiagoa.

D-D erregai-zikloaren abantaila nagusia da ez dela beharrezkoa tritioaren hazkuntza. Horrez gain, litioak baliabideekiko independentzia eta neutroi-espektro leunagoa edukitzea ere ezaugarri erakargarriak dira prozesu hau aukeratzeko orduan. D-D-ren desabantaila, aldiz, D-T erreakzioarekin alderatuta energiaren konfinamendu-denbora 30 aldiz handiagoa izatean datza, potentzia 68 aldiz txikiagoa izanik.[12]

Fusiorako erregaien ikerketak aurrera jarraitu ahala, fusio-energia lortzeko prozesu berri bat aurkitu zuten, alegia, helio-3 (3He) eta deuterio (2H) bateratzea:

$${\displaystyle {\ce {D +He^{3}-> H^{4}{+}H^{1}}}}$$

Erreakzio honek ⁴He materia eta energia handiko protoia sortzen du. Erreakzio-energia gehiena kargatutako partikula gisa askatzen denez, erreaktorearen aktibazioa murrizten da eta energia era eraginkorragoan biltzeko aukera ematen du.[13]

Fusio aneutroniko (neutroiek gehienez energiaren %0.1-a [14] baino ez daramaten fusio mota) deritzon prozesuak murriztu egiten ditu, neurri handi batean, materialei dagozkien arazoak. Teorian, erregai aneutroniko erreaktiboena 3He da. Hala ere, material horren kantitate handiak lortzeko, Lurretik kanpo bilatu beharko genuke: Ilargian, Uranon edo Saturnoko atmosferan zehazki. Beraz, fusio horretarako erregai ohikoenak “erraz” eskura daitezkeen protioa eta boroa dira:

$${\displaystyle {\ce {p +B_{1}^{1}-> 3He^{4}}}}$$

Erreakzio honetarako tenperatura-energia optimoa 123 keV ingurukoa da, hidrogeno garbiaren erreakzioan baino ia hamar aldiz handiagoa. Gainera, energia-konfinamendua D-T erreakziorako behar dena baino 500 aldiz hobeagoa izan behar da.[15]

Plasma eroankortasun elektriko handiko gas ionizatua da, Navier-Stokes eta Maxell-en ekuazioen bidez ereduztatzen dena. Fusioan, bereziki, plasmaren zenbait propietate oso erabilgarriak direnez, garrantzi handia dute hauek prozesu honen inguruko ikerketetan.[16][17]

Konfinamendu magnetikoa plasma egoeran dagoen material jakin bat eremu magnetikoan konfinatzean oinarritzen da. Eremu honi forma konkretu bat emanez, plasma osatzen duten partikula positibo zein negatiboak esparru batean manten ditzakegu, Lorentz-en indarrean oinarriturik.

Horretarako, hainbat ikerketaren ondoren, zenbait gailu garatu dituzte adituek; hala nola, Tokamak, Tokamak esferikoa edo Sterellator-a.[18]

Metodo hau partikulak azeleratzean datza, energia zinetikoaren bitartez Coulomb-en muga zeharkatu arte. Behin hau lortuta, fusioa gertatzeko baldintzak nabarmen errazagoak dira. Metodo erabilienak honetarako, laser bidezko eta estutze bidezko konfinamenduak dira. [19]

Konfinamendu magnetikoan ez bezala, eremu elektrostatikoa erabiltzen da kasu honetan plasmaren dentsitatea egonkor mantendu eta tenperatura altuetan lan egiteko. Bi taldetan banatzen dira, orokorrean, metodo hau erabiltzen duten gailuak: Fusor-ak eta Polywell-ak. [19]

Istripuak gertatzeko arriskua fisioaren kasuan baino askoz txikiagoa dela argitu dute ikerlariek, bai erradiazioari zein leherketei dagokienez.

Fusio-erreaktore gehienek hidrogeno likidoa erabiltzen dute hozte-sisteman, baita “galdutako” neutroiak tritio bihurtu eta hauekin erreaktorea berrelikatzeko. Hidrogeno hori sukoia denez, su hartuz gero tritioa aska daiteke atmosferara, erradiazio arriskua suposatuz. Hala ere, kalkuluen arabera, mota honetako zentral batean aurki daitekeen tritio kantitatea kilometro gutxi batzuetara diluituko litzateke, benetako arrisku handirik suposatu gabe.[20]

Fusioaren ondorioz sortutako hondakinak fisioari dagozkionak bainoa askoz seguruagoak dira. Izan ere, fisioaren ondoriozkoak, erradioaktiboagoak izateaz gain, biologikoki arriskutsuagoak dira eta bizi-denbora luzeagoa ere badute.

Materialen aukeraketan ere, fisio-prozesuan erabilitako materialak mugatuagoak dira. Fusioaren kasuan, erreaktoreak “aktibazio baxua” erabiliz diseina daitezke, hau da, erradioaktibo bihurtzeko zailagoak diren materialen bidez (Banadioa, adibidez).[20]