Fusio nuklearra
Bi nukleo arinek, hidrogenoak edo haren isotopoek (deuterioak eta tritioak) adibidez, bat egin eta nukleo astunagoa eratzen dutenean, energia askatzen da. Energia-askatze horren arrazoia da erreakzioan parte hartzen duten partikulen masaren parte bat energia bihurtzea. Izan ere, eratzen den nukleo berriaren masa txikiagoa da fusionatzen diren nukleoen masen batura baino, hau da, erreakzioan masa-kantitate bat “galdu” egin da. Erlatibitatearen teoriak aurreikusitako masa eta energiaren arteko baliokidetzak azal dezake fenomeno hori. Horrenbestez, askatzen den energia-kantitatea E = mc2 formularen arabera kalkula daiteke, non m erreakzioan gertatzen den masa-galera den. Horrek guztiak zerikusi zuzena du nukleoaren lotura-energiarekin (Ik. atomo; nukleoaren lotura-energia). Nukleoaren lotura-energia da nukleoa bere osagaietan banantzeko behar den energia-kantitatea edo, bestela esanda, nukleoa partikuletatik abiatuta osatzean askatzen dena. Nukleoaren lotura-energia nukleoko nukleoi-kopuruaz zatituz, nukleoi bakoitzeko batez besteko lotura-energia defini daiteke. Jakina, zenbat eta handiagoa izan nukleoi bakoitzeko batez besteko lotura-energia, hainbat eta egonkorragoa izango da nukleoa. Nukleo egonkorrena Fe-56 isotopoaren nukleoa da (56 masa-zenbakiduna). Bai masa atomiko txikiagoko nukleoak batuz —hau da, fusionatuz—, bai masa atomiko handiagoko nukleoak zatituz, burdinatik gertuago dauden nukleo egonkorragoak eratzen dira. Bi prozesuotan, beraz, energia askatzen da (Ik. fisio nuklear).
Fusioa gerta dadin, elkar aldaratzen duten nukleo bi batu behar dira, hots, bi nukleo horien aldarapen elektromagnetikoa gainditu behar da, nukleoak batzeko gai izan daitezen. Esan gabe doa fusio-prozesua ez dela batere erraza, zeren aldarapen elektromagnetikoa gainditu ahal izateko energia-kantitate itzelak behar baitira.
Fusio-erreakzioak izarretan
Naturan, izarretan gertatzen da fusio nuklearra. Izarra, jatorriz, erakarpen grabitatorioak eraginda elkarrengana bildu diren hidrogeno-atomoek osatzen dute; hain kantitate handian biltzen dira, non gunean sortzen den dentsitate itzelaren ondorioz hidrogeno-nukleoak fusionatzeko behar adinako energia baitute. Fusio-erreakzioan energia askatzen denez, tenperatura igo egiten da, eta, hala sorturiko kanporanzko indar horren ondorioz, gasek hedatzera jotzen dute. Bi indar horien arteko orekak egin dezake izarra “egonkor”. Izarraren “erregaia” hidrogenoa da lehenik, eta, gero, fusio-erreakzioan eratzen diren nukleo gero eta masa atomiko handiagokoak, harik eta burdina eratu arte, zeren nukleo astunagoek nukleoiko energia-lotura txikiagoa dute eta, beraz, horiek eratzeko fusio-erreakzioa endotermikoa da —hau da, gerta dadin energia eman egin behar da—. Hortik aurrera, izarra indar grabitatorioaren mende dago, eta haren etorkizuna masaren araberakoa da. Posibilitateetako bat noba izeneko leherketa erraldoia da. Horretan, izarraren nukleoa kolapsatu egiten da eta azaleko nukleoak batera fusionatzen dira; horren ondorioz, burdina baino masa atomiko handiagokoak eratzen dira. Izarren bilakaera fenomeno konplexua da, baina, labur beharrez, azaldu dugun modukoa dela esan daiteke oro har.
Fusio nuklearraren teknologia
Lur planetan, ezinezkoa da izarretakoaren moduko konfinamendu grabitatoriorik gertatzea. Beraz, nukleoen konfinamendua bestela egin behar da. 1952. urtean, konfinamendu hori lortu zen estreinakoz. Hidrogeno- edo fusio-bonban, fusioa gertarazteko behar den energia-kantitate handia lortzeko fisio-lehergailua (bonba atomikoa) erabiltzen da. Lehen hidrogeno-bonba hartan, bonba atomikoan baino 50 aldiz energia gehiago askatu zen.
Baina fusio-energia energia erabilgarria ekoizteko erabiliko bada, erreakzioa kontrolatu egin behar da. Egun garatzen ari diren fusio-erreakzioetarako teknologiaren lehen urratsa fusioko erregaiaren elektroien eta ioien “zopa” edo plasma lortzea da. Plasma materiaren egoeretako bat da, laugarrena hain zuzen ere. Lurrean plasmarik ez dagoen arren, unibertsoko materiaren % 99 egoera horretan dago. Materiaren tenperatura 11.000 ºC-ra iristean, hau da, partikulen batez besteko energia zinetikoa 1 eV denean, gasaren atomoek elektroiak galtzen dituzte eta materia elektroiz eta ioi positiboz osaturiko “zopa” bilakatzen da. Hala ere, egoera honetan ez da oraindik fusio-erreakziorik gertatuko, ioi positiboen arteko aldarapen-indarra baitago. Baina plasma areago berotuz gero, ioi edo nukleo horien abiadura (energia zinetikoa) areago handitzen da, eta horri esker gerta daiteke indar aldaratzailea gai ez izatea nukleoen arteko talkak eragozteko. Esperimentalki frogaturik dago hori posible dela, baina, horretarako, plasmaren tenperaturak itzela izan behar du, gutxienez 100 milioi gradukoa (10 keV). Tenperatura horretan fusio-erreakzioak gertatzen has daitezke, baina bakar batzuk gertatzea ez da nahikoa, tenperatura horretara iristeko energia ikaragarria erabili baita. Komenigarriena da denbora-unitateko fusio-erreakzio asko gertatzea. Beraz, fusio-erreakzioak gertatzeko probabilitatea handia izan dadin, plasmaren dentsitateak ere handia izan behar du.
Etorkizuneko erreaktoreetarako fusio-erreakzio hau esperimentatzen ari dira:
D + T He (3,5 MeV) + n (14,1 MeV)
Deuterioa (D) eta tritioa (T) hidrogenoaren isotopoak dira, eta nukleoan, protoiaz gainera, neutroi bat eta bi dituzte, hurrenez hurren. Fusionatzen direnean, bi protoi eta bi neutroi dituen helio-nukleoa eratzen da eta neutroi bat (n) askatzen da. Helio-nukleoaren energia zinetikoa (3,5 MeV) plasma berotzeko erabiltzen da, eta neutroiena (14,1 MeV), berriz, konfinamendutik ihes egin eta energia erabilgarria (energia elektrikoa) ekoizteko erabili nahi da.
Joint European Torus-eko (JET) tokamak-aren eskema
Hala ere, fusio-erreakzioa gertatzea ez da baldintza nahikoa fusioa energia-iturritzat baliatu ahal izateko. Fusioak xurgatzen duen energia oso handia da eta, jakina, fusioko zentral batean fusioan lorturiko energiak kontsumiturikoa baino askozaz ere handiagoa behar du izan. Bestalde, jakin badakigu edozein gorputz bero ingurune hotzago batean murgildurik badago, difusio edo barreiadura atomikoaz arin hoztuko dela. Prozesu hori oso larria izan daiteke plasmaren kasuan. Beraz, nola edo hala plasma konfinatu beharra dago plasma bero mantentzeko, hots, aipaturiko barreiadura atomikoa gerta ez dadin. Fusio-plasmak hain bero egon behar duenez (100 milioi gradutik gora), konfinamendua ezin daiteke, botiletan egiten den antzera, hormak erabiliz egin. Botila horiek ezin dezakete eduki horma fisikorik. Horren ordez konfinamendu magnetikoa erabiltzen da, hau da, eremu magnetikoaren lerroek osatzen dute horma. Eremu-lerroek plasmaren barnean oso arin higitzen diren partikula kargatuak (elektroiak zein ioiak) konfinatu behar dituzte toru-formako (“donut” antzekoa) eskualde itxian, fusio-energia probetxugarria lortu arte. Konfinamenduaren arazoa ez da batere xumea, eta egun erabiltzen den teknologia zientzialari errusiarrek garaturiko tokamak kontzeptuarena da. Hala, konfinamendu-denbora definitzen da, eta plasma beroak kanpotik energiaz elikatu gabe bero irauten duen denbora adierazten du.
ITEReko tokamak-aren ebakidura, huts-ontziaren barruko donut-itxurako plasma agerian duela (Iturria: ITER)
Hiru parametrok mugatzen dute fusio-erreakzioen probetxugarritasuna: plasmaren tenperatura, dentsitatea eta konfinamendu-denbora. Hiru gai horien biderkadurari fusio-parametro deritzo. Aspaldidanik kalkulatu da fusio-erreaktorea energia-iturri gisa erabili ahal izateko fusio-parametroak izan behar duen balioa. Lawsonek 1957. urtean kalkulatu zuen fusio-parametroaren balioak 5 x 1021 keVm–3 (Lawsonen irizpidea) baino handiagoa behar duela izan energia-zikloaren errendimendua % 35ekoa izan dadin. Kanpotik berotu gabe plasma Lawsonen irizpidearen baldintzapean mantentzea lortzen denean, ignizio-puntua lortu dela esan ahal izango dugu. Gaurko plasmak puntu horretatik urrun daude, eta erabiltzen den beste parametro oso garrantzitsua energia-irabaziarena da, hots, fusioak sorturiko energiaren eta fusiora iristeko erabili den energiaren arteko erlazioa, Q faktorea deiturikoa, hain zuzen ere. Q = 1 denean, fusioan sorturiko energia fusiora iristeko energiaren berbera da, eta puntu horri “break-even” deritzo. Agerian dagoenez, fusio-erreaktorea merkatuan lehiatzeko modukoa izan dadin Q >> 1 lortu beharko litzateke. Eta hori lortzeko arazoetariko bat da plasma sortu, berotu eta konfinatu ahal izateko energia asko erabili behar dela.
Belaunaldi honetako esperimentuek “break-even” inguruko egoera lortu nahi izan dute, eta hortik oso hurbil daudela esan genezake, orain arte lorturiko balio maximoa Q = 0,7 ingurukoa izan baita. Hurrengo belaunaldiko erreaktoreetan ignizio-baldintzetako plasmak lortzea espero da. Horretarako, dagoeneko martxan dago ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) proiektua. Amerikako Estatu Batuak, Errusiak, Europako Batasunak, Hegoafrikak, Hego Koreak, Indiak eta Japoniak parte hartzen dute ITER proiektuan. ITERen helburua da Q ≥ 10 lortzea, hots, kontsumitzen duen energia baino 10 aldiz energia gehiago sortzea. Hau da, ITER izango da energia-irabazi garbia sortuz esperimentuak egingo dituen lehen proiektua. ITER diseinatuta dago 50 MW-eko potentzia elikatu ondoren fusio-erreakzioen bidez 500 MW sortzeko. Beraz, hori lortzen bada, zientzialariak gai izango dira etorkizuneko fusio-zentraletako antzeko baldintzetan plasmak ikertzeko, eta horrek bide emango du frogapeneko fusioko potentziako zentrala diseinatzeko. ITER 2010ean eraikitzen hasi zen Caradachen (Frantziako hegoaldean), eta aurreikusi da eraikuntza-lanak 2017an amaitzea. Lehen plasma 2019an lortu nahi da. Gauza guztiak espero bezala badoaz, energia eskala handian ekoizten duen lehen fusio-zentralerako zubia izango da. ITERen hurrengo urratsa DEMO (DemostrationPowerPlant) izango da; dena espero bezala gertatzen bada, 2040ko hamarkadan sare elektrikora lotzea aurreikusten da.
Konfinamendu magnetikoarena ez da fusioa lortzeko ikertzen ari den bide bakarra, konfinamendu inertzialaren bidea ere saiatzen ari dira. Konfinamendu inertzialaren bidez fusio-erreakzioak lortzeko, erregaiaz (deuterioa + tritioa) beteriko itu bati (oso simetrikoa behar duen esfera txikia, 100 m inguruko erradiokoa) energia handiko sortez eraso behar zaio era oso simetrikoan. Sistema gehienek energia handiko laserrak erabiltzen dituzte ituari erasotzeko. Ituari erasotzean, esferaren kanpo-geruza kanporantz lehertzen da, eta erreakzioz ituaren beste zatiak inplosionatzen dira, barnerantz azeleratuz eta itua konprimatuz. Prozesu horrek ituaren barnerantz bidaiatzen duten talka-uhin oso indartsuak sor ditzake, eta era oso simetrikoan sortzen badira erregaia ituaren erdian konprimatu eta erdigunea 100 milioi graduraino berotu daiteke fusio-erreakzioak eraginez. Erreakzio horiek askaturiko energiak inguruneko erregaia berotuz, fusio gehiago sor daitezke kate-erreakzio baten antzera. Horri “ignizio” deitzen zaio konfinamendu inertzialeko fusio sistemetan, eta ignizioa lortzea da sistema hauen helburua, bide horretatik erregaiaren zati handi bat erre baitaiteke. Gaur egun arte egindako esperimentu guztiak mugatu dira fusioak era errepikagarrian lortzera, oraindik Q > 1 lorpenera zuzendu gabe. Beraz, teknologia hau konfinamendu magnetikoarena baino atzeratuagoa dagoela esan genezake.
Fusio-energiaren abantaila eta desabantailak
Demagun fusio-erreaktorea lor daitekeela eta lortu egiten dela (konfinamendu magnetikoarena, hain zuzen ere). Ikus dezagun gaur egungo energia-iturriekiko zein diren abantailak eta desabantailak. Desabantaila nagusia kostua da. Fusio-erreaktoreetarako hasierako inbertsioa itzela izango da (ikerketa ere nazioarteko mailan egiten ari da), egungo edozein energia-iturrik behar duena baino askoz handiagoa. Hori oztopo ikaragarria izango da egungo erregai fosilekin eta fisio nuklearreko zentralekin lehiatu ahal izateko.
Abantailen aldetik, lehenengoa erregaiarena da. Deuterioa oso hedatua dago itsasoan eta ibaietan, eta, merkea izateaz gainera, ez du agortzeko arriskurik. Bigarren abantaila etorkizuneko fusio-erreaktoreen segurtasunari dagokio: fusio-erreakzioetan erregaiaren hornidura eteten bada, ezin daiteke fusio-erreakziorik gerta; gainera, konfinamendu magnetikopeko fusio-erreaktoreetan erregaia aldian aldiko ekoizten denez, ezinezkoa da fusio-erreaktoreak eskuetatik ihes egitea, eta fusio-erreaktoreetan “desentxufatzeak” ez du arazorik sortzen, fisio-zentraletan ez bezala (Txernobil eta Fukushima, kasurako). Beraz, fusio-erreaktoreak ez du eztanda egiteko edo urtzeko arriskurik.
Fusioaren aldekoek saltzen duten eran, garbitasuna da beste abantaila nabaria. Deuterio eta tritio isotopoen fusio-erreakzioan sortzen diren partikula bakarrak energia handiko alfa partikulak (hots, helio-atomoak) eta neutroiak dira. Helioari fusio-hauts deritzo, eta unibertsoan zabalduenetarikoa den atomo egonkorra da. Alfa partikulek garrantzi handia dute plasma beroa mantentzeko eta, ionizaturik daudenez (alfa partikula legez), eremu magnetikoak konfinatzen ditu. Neutroiak ere sortzen dira erreakzioan, eta horiek kargagabeak izanik konfinamendu-eskualdetik ihes egiten dute, plasma mugatzen duen geruza aberatsarekin talka eginez. Geruza aberatsak konfinamendu-eskualdea mugatzen du, eta litioz edo litioa duten konposatuz eraikitzen da. Geruza aberatsak bi funtzio ditu:
neutroiek litio-atomoekin talka egitean tritioa sortzea, plasmarako erregaia dena
sorturiko neutroien energia zinetiko handia xurgatzea, ondoren energia elektriko bilakatzeko
Beraz, fusio-erreaktorean erradioaktibitatea ez dago fusio-erreakzioan (ez dago hondakinik), neutroiek inguruneko materialekin talka egitean sorturiko transmutazioetan baizik.
Transmutazioen ondorioak bi motatakoak dira:
fusio-erreakzioko prozesurako onuragarriak, tritio erregaia sortzea kasu
ikuspuntu guztietatik kaltegarriak
Bigarren horrek konfinamendu magnetikoaren inguruko egituran erabilitako materialen mendetasuna du. Aktibitate nuklear txikiko material aproposak erabiliz, neutroiek material horietan sorturiko aktibitatea 10 milioi aldiz gutxitu daiteke erreaktorea gelditu eta handik ordu batera, erdibizitza luzeko hondakinik sortu gabe. Hondakin horiek zentralaren barruan geratuko lirateke, kanpora ihes egiteko aukerarik gabe. Hala ere, ez da ahaztu behar aukeraturiko materialak aproposak izan arren, ezpurutasunak izango dituztela eta, horien ondorioz, erdibizitza luzeko hondakinak ere sor daitezkeela. Bestalde, tritio erregaia 12,3 urteko erdibizitza duen isotopo erradioaktiboa da, beta partikulen igorle hutsa hain zuzen ere, eta igortzen dituen elektroien batez besteko energia 5,7 keV-ekoa da. Tritioa gasa denez, istripu larri batean konfinamendu magnetikotik ihes egin lezake. Etorkizuneko fusio-erreaktore baten tritio-ihesen (gerta daitekeen istripu larrienean ere) eta zentralen inguruko populazioak jasan lezakeen erradioaktibitate-mailaren aurreikuspenek diote, kasurik okerrenean ere, erradioaktibitate-maila handiena zentraletik 1 km-ra kokatuko litzatekeela.
Fusio-erreaktoreak, inoiz lortzen badira, elektrizitate-sarera konektatzean, energia-iturri agortezina lortuko dela esan dezakegu, horrek dakarren guztiarekin. Erregai-fosilak eta fisio nuklearra erabiltzen duten zentralak baino askoz ere garbiagoak izango dira. Ez dira gai izango mendetako kalteak sortzeko, baina erabateko garbitasuna ere ez dute izango. Hala ere, beste motatako zentralekin gertatzen den ez bezala (hauetan ondorio kaltegarriak prozesuaren intrintsekoak baitira), fusio-erreaktoreetan garbitasunaren maila hobetu egin daiteke.
Fernando Plazaola (EHU)