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11 de mayo de 2015

¿Por qué un robot no resiste ni tres horas en la central nuclear de Fukushima?



Imagen captada por un robot del interior de la central de Fukushima. REUTERS

Hace 4 años (el 11 de Marzo de 2011) una central nuclear, montada a orilla de un mar propenso a los terremotos y tsunamis, falló y sus reactores se fundieron, generando radiactividad sin control. Hace una semana se introdujo un pequeño robot en la central para ver si se podía hacer algo con los reactores. El robot falló a las 3 horas de proximidad a uno de ellos.
¿Qué es la radiactividad?
Vivimos en un intervalo de escalas de tiempo, espacio y energía muy suave y tranquilo, en nuestras vidas humanas. Estas escalas están entre las atómicas y las cósmicas y en ellas las cosas se desarrollan sin grandes aspavientos, aunque de vez en cuando seamos capaces de matarnos unos a otros en unos millones de unidades (personas).
A nivel atómico las cosas son algo más movidas: Los electrones se mueven alrededor de los núcleos atómicos a velocidades del orden de 30.000 km/s, 108 millones de kmh. Mas o menos como un Ferrari, o como uno de nuestros cazas bélicos que se pueden mover a unos 2500 kmh.   
Un electrón, si girase en órbitas alrededor del núcleo, en una órbita inestable, daría cien mil vueltas alrededor del núcleo antes de caer a la primera órbita, la estable. Si la órbita inestable correspondiese a la órbita de la Tierra, el electrón habría tardado 100.000 años en caer a la órbita estable, los años que llevamos como Homo sapiens sobre la Tierra.
Pensamos que el Sol cambiará (se enfriara, o se convertirá en supernova) en mas de los 4.500 millones de años de existencia del planeta Tierra.
La naturaleza tiene unas escalas muy, muy amplias.  La escala que nos interesa aquí en el caso presente es la de energías. El ser humano es equivalente a una bombilla de 100 watios. Consumimos unas 2.000 kilocalorias cada 24 horas y eso equivale a los 100 watios mencionados. Nuestros coches tienen potencias de entre 50 y 100 kw, y las turbinas de un superpetrolero unos 42.000 kw.
Éstas son las potencias (energía por segundo) que manejamos los seres humanos.
La gasolina (y el diesel, el keroseno, esencialmente los productos del petróleo) tienen una energía de unos 10 kwh por kilo de combustible. El gas natural, mas o menos el doble, y el carbón la mitad de este número. Recordemos, 10 kwh/kg.
Los átomos manejan otras escalas de energía.  La fisión de un kilo de plutonio genera 20 millones de kwh, la energía que gastan un millón de hogares en un día. Esa cantidad de plutonio es una bola de 5 cm de diámetro, el diámetro de una bola de jabón de esos que venden de forma esférica.
La fuerza de un ser humano normal es la que utiliza para dar un salto con ambos pies. Al saltar levantamos nuestra masa contra la gravedad. Una persona de 70 kg necesita 70 x 10 = 700 Newton de fuerza para levantarse algo del suelo. Si con el salto consigue subir todo su cuerpo medio metro ha gastado  unos 350 Joules, es decir, una diezmilésima de kwh. Las compañías eléctricas nos están cobrando el kwh a unos veinte céntimos de euro. Un salto del tipo mencionado nos costaría 20 millonésimas de euro.
Nuestras energías y las de las máquinas que utilizamos son despreciables frente a las energías que existen en el interior de los núcleos de los átomos, que adicionalmente son muy, muy, muy pequeños.
Ni siquiera el mejor robot diseñado por el ser humano es capaz de soportar las energías que están produciendo las reacciones nucleares que se mantienen activas en los reactores dañados de Fukushima: Lo que podemos hacer es minúsculo frente a esas energías.  Y no lo necesitamos.
Lea el artículo completo en:

17 de octubre de 2013

Hito en el desarrollo de fusión nuclear, la energía del futuro

Fusión nuclear

El NIF y la fusión nuclear

  • 92 rayos láser se enfocan a través de los agujeros de un contenedor de destino llamado hohlraum.
  • Dentro del hohlraum hay una pequeña pastilla que contiene una sólida mezcla, extremadamente fría, de isótopos de hidrógeno.
  • Los láseres golpean las paredes del hohlraum, el cual irradia rayos X
  • Los rayos X descortezan la capa exterior de la pastilla de combustible, calentándola a millones de grados.
  • Si la compresión del combustible es suficientemente alta y lo suficientemente uniforme, puede resultar la fusión nuclear.

Fusión nuclear

La llaman "el santo grial" de la energía, por ser limpia, más barata e inagotable.
Es la energía por fusión nuclear, proceso en el cual varios núcleos atómicos de carga similar se unen y forman un núcleo más pesado. Esto produce la liberación de una cantidad enorme de energía. 

¿Se hará realidad el sueño de la fusión nuclear?
Este es el mismo proceso de liberación de energía que mantiene vivo al sol y a otras estrellas y los científicos creen que es la energía del futuro, ya que puede alimentar la demanda energética sin la amenaza de proliferación nuclear o daños al medio ambiente.

Sin embargo, uno de los mayores desafíos en la producción de este tipo de energía ha sido la de pasar el denominado punto de equilibrio.

Para ser viable, las plantas de energía de fusión tendrían que producir más energía de la que consumen, un objetivo que ha tenido en vilo a los científicos por casi 50 años. Hasta ahora.

Según información a la que tuvo acceso la BBC, los investigadores del proyecto estadounidense Instalación Nacional de Ignición (NIF, según sus siglas en inglés) han logrado un hito fundamental en el camino hacia la fusión nuclear autosostenida.
El NIF, basado en Livermore, California, utiliza el láser más potente del mundo para calentar y comprimir una pequeña bola de combustible de hidrógeno hasta el punto en el que las reacciones de fusión nuclear se llevan a cabo.

Durante un experimento realizado a finales de septiembre, la cantidad de energía liberada por la reacción de fusión superó por primera vez la cantidad de energía absorbida, en un hecho sin precedentes para cualquier tipo de fusión nuclear a nivel mundial.

"El logro ha sido descrito como el paso más significativo para el desarrollo de la fusión en los últimos años", asegura Paul Rincon, editor de Ciencia de la BBC.

El objetivo oficial del NIF es la "ignición", un paso más allá de lo conseguido ahora, y que se lograría en el el momento en que la fusión nuclear genere tanta energía como la que suministran los láseres.

La diferencia entre la "ignición" y lo conseguido en la actualidad, ocurre por ineficiencias en distintas partes del sistema que hacen que no toda la energía enviada por el láser llegue hasta el combustible.

El artículo completo en:

BBC Ciencia

23 de agosto de 2013

¿Se hará realidad el sueño de la fusión nuclear?


SOBRE LA FUSIÓN 
  • Es el proceso que enciende las estrellas, incluyendo al Sol.
  • Un litro de agua contiene suficiente deuterio para producir -al fusionarse con tritio- el equivalente energético a 500 litros de gasolina.
  • Una central de energía de fusión de 1.500MW consumiría unos 600g de tritio y 400g de deuterio al día.
  • El primer uso a gran escala de la fusión fue la detonación de la bomba de hidrógeno Ivy Mike, realizada por el ejército de Estados Unidos el 1ro de noviembre de 1952.
  • El diseño de ITER incluye un tokamak, que es la palabra rusa para designar la cámara magnética con forma de anillo.
  • El campo magnético deberá contener plasma a 150 millones de grados, la temperatura necesaria para el proceso de fusión.
  • Estados Unidos es socio de ITER, pero también está financiando el proyecto National Ignition Facility, que utiliza láser para calentar y comprimir el hidrógeno al punto de fusión.
  • Corea del Sur, otro miembro de ITER, está inviertiendo U$941 millones en un prototipo de tecnología de fusión, K-DEMO, que podría ser el primero en generar energía eléctrica.
  • Los críticos se oponen a que se siga investigando la energía nuclear y cuestionan los probables altos costos que tendrá su uso comercial.


La construcción del reactor ITER es todo un desafío tecnológico.

La apuesta más grande del mundo por desarrollar energía a partir de la fusión nuclear avanza a paso lento en el sur de Francia.

El proyecto del Reactor Termonuclear Experimental Internacional (ITER, por sus siglas en inglés), ubicado en Cadarache, en Provenza, comienza a recibir los primeros componentes necesarios (hacen falta alrededor de un millón) para su reactor experimental.

Pero su construcción lleva dos años de retraso, obstaculizada por el aumento masivo de los costos y largas postergaciones.

Fusión nuclear

Al colisionar los átomos de deuterio y el tritio, dos formas de hidrógeno, liberan gran cantidad de energía.

"No escondemos nada, es muy frustrante", le dice a la BBC David Campbell, subdirector del proyecto ITER.

"Ahora estamos haciendo todo lo que podemos para recuperar tiempo. El proyecto es tan inspirador que da la energía para continuar. Todos queremos energía de fusión lo antes posible".
Superados los problemas de diseño iniciales y las dificultades de coordinación para este proyecto internacional único, ahora hay un poco más de confianza en los plazos.

La energía del Sol

Desde la década de los años 50, la fusión ha alimentado el sueño de une energía casi ilimitada –imitando el proceso de la bola de fuego que enciende el sol– a partir de dos formas de hidrógeno fácilmente disponibles.

El gran atractivo de la energía de fusión incluye la combinación de un combustible económico, relativamente poco desperdicio radiactivo y cero emisiones de gases de efecto invernadero.

Pero los desafíos técnicos son inmensos: no sólo es difícil controlar un proceso tan extremo, también lo es diseñar formas de extraer energía.

Y eso es lo que pondrá a prueba el reactor ITER, conocido como "tokamak" (acrónimo de la expresión rusa para decir "cámara toroidal con bobinas magnéticas"), que está basado en el diseño de JET, un proyecto piloto europeo con base en Reino Unido.


La idea es crear un plasma de gas supercaliente que alcance temperaturas de más de 200 millones de grados centígrados, el calor necesario para forzar a los átomos de deuterio y tritio a fusionarse y liberar energía.

El proceso tendrá lugar dentro de un gigantesco campo magnético con forma de anillo, la única manera de contener un calor tan extremo.

La planta de JET consiguió reacciones de fusión en estallidos cortos, pero requirió el uso de más energía de la que era capaz de producir.

El reactor ITER es mucho más grande y está diseñado para generar 10 veces más energía (500 MW) que la que va a consumir.


La iniciativa une el impulso científico y político de los gobiernos de la Unión Europea –que financia casi la mitad de su costo– junto con los de China, India, Japón, Corea del Sur y Estados Unidos.

El presupuesto total se calcula en unos U$20.000 millones, aunque la cifra exacta no está disponible debido a que muchas de las contribuciones no son en efectivo, sino en equipamiento y tecnología.

Complicaciones y retrasos

Pero la innovadora estructura de ITER ha causado fricciones y retrasos, sobre todo en su fase inicial.

Cada socio tuvo que crear primero un organismo local para lidiar con el abastecimiento de componentes dentro de cada país, y no fueron pocas las complicaciones para importarlos.

Los retrasos aumentaron con las disputas por el acceso a las sedes de producción en los países participantes. Como cada parte debe cumplir con requisitos extremadamente específicos, los inspectores de ITER y las autoridades nucleares francesas tuvieron que negociar las visitas a compañías que no estaban habituadas al escrutinio ajeno.

El resultado es que aunque se ha acordado un calendario para el traslado de los elementos clave, se asume que aún habrá más demoras.

Por eso, el edificio principal que albergará al tokamak fue adaptado para dejar los espacios necesarios para que los componentes que llegarán más tarde sean añadidos sin causar demasiados problemas.

La ruta desde los puertos hasta el emplazamiento tuvo que ser reforzada para soportar el traslado de cargas de hasta 600 toneladas, y esta tarea también ha sido más lenta de lo esperado.
Según el plan inicial, se esperaba conseguir el primer plasma a mediados de la pasada década.

Después de una restructuración, se fijó una nueva fecha límite para noviembre de 2020, pero esto también se ha puesto en duda.

Los encargados de ITER dicen que están haciendo turnos dobles para acelerar el ritmo de construcción, pero aun así se considera que incluso comenzar a operar en 2021 es un desafío.

Ken Blacker es el hombre encargado de coordinar el ensamblaje del reactor.

"Ahora hemos empezado de verdad", le cuenta a la BBC. "La producción industrial está avanzando así que el calendario es mucho más certero y se han resuelto muchos desafíos técnicos".

"Pero ITER es increíblemente complicado. Las piezas se están haciendo en varias partes del mundo y se transportarán hasta aquí".

"Tendremos que organizar su llegada y construir paso a paso, cada cosa debe llegar en el orden correcto, y eso es realmente crucial".

40, 50 o 60 años

La secuencia de llegada de grandes componentes es una cuestión fundamental, pero también lo es que los componentes en sí mismos tengan la suficiente calidad como para que el sistema funcione.

Los 28 imanes que crearán el campo magnético contenedor del plasma deben ser fabricados con un nivel de exactitud muy exigente. Y cada parte debe ser estructuralmente firme, luego será soldada con las demás para asegurar un vacío totalmente hermético, sin el cual no se puede mantener el plasma.
Un solo fallo podría poner en peligro todo el proyecto.

Asumiendo que ITER lograra producir más energía de la que consume, el siguiente paso será que los socios internacionales avancen con un proyecto de demostración tecnológica que ponga a prueba los componentes y sistemas necesarios para hacer un reactor comercial.

Irónicamente, cuánto más se progresa, más evidente se hace la enormidad del desafío que supone crear un reactor de fusión para comercializar.

El año pasado le pregunté a un panel de expertos cuándo estará disponible en el mercado el primer reactor de fusión capaz de abastecer de energía las redes eléctricas.

Unos pocos dijeron que eso podría ocurrir en los próximos 40 años, pero la mayoría dijo que llevará otros 50 o incluso 60 años.

Aunque en ITER se trabaja a destajo, la energía de fusión aún sigue siendo un sueño.

Tomado de:

BBC Ciencia

12 de abril de 2013

Intentarán construir cohete a fusión nuclear que podría llevarnos a Marte en 30 días

motor fusion nuclear

Un equipo de científicos financiados por la NASA de la Universidad de Washington comenzarán próximamente a construir un cohete impulsado por fusión nuclear, el que en caso de que se pueda construir exitosamente, podría llevar una misión tripulada a Marte en solo 30 días.

El grupo está liderado por John Slough, y han estados los últimos años desarrollando y probando varias de las etapas de un cohete a fusión el que, para que sea exitoso, debe ser capaz de generar más energía que la necesaria para echar a andar la reacción nuclear, algo que puede sonar sencillo pero que si consideramos los millones de dólares gastados en investigación y las grandes mentes dedicadas al tema en las últimas décadas, cabe afirmar que es una tarea bastante difícil.

El asunto es que, hasta el momento, un cohete a fusión nuclear sería el mejor método de propulsión para explorar el espacio, pues el peso y costo del combustible es una de las más grandes barreras para los viajes espaciales, y el combustible para una reacción nuclear tiene una enorme densidad de energía (unas siete millones de veces más que el combustible convencional para cohetes).

Link: NASA-funded fusion rocket could shoot humans to Mars in 30 days (Extreme Tech)

FUENTE:

FayerWayer

12 de diciembre de 2010

Una reacción nuclear en laboratorio del CERN desafía lo esperado

Un nuevo tipo de reacción de fisión observada en el laboratorio de física de partículas del CERN en Ginebra ha puesto de manifiesto graves deficiencias en la comprensión actual del núcleo atómico

Se esperaba que la fisión de mercurio-180 fuera una reacción “simétrica”, que resultaría en dos fragmentos iguales, pero produjo dos núcleos de masas muy diferentes, reacción “asimétrica” que plantea un reto importante para los teóricos.

La fisión nuclear consiste en la división de un núcleo pesado en dos núcleos más ligeros. De acuerdo con el modelo de la gota líquida, que describe el núcleo en términos de su cantidad macroscópica de tensión superficial y repulsión electrostática, la fisión debe ser simétrica. Algunas reacciones de fisión, sin embargo, son asimétrica, entre ellas muchas de las de uranio y sus elementos actínidos vecinos. Esto en cambio se puede entender usando el modelo de capas, en el que pueden ser creados, con cierta preferencia, fragmentos desiguales si uno o ambos de estos fragmentos contiene un número “mágico” de protones y / o neutrones. Por ejemplo, uno de los fragmentos producidos en muchas de las reacciones de fisión que involucran actínidos es el estaño-132, que es un núcleo “doblemente mágico” que contiene 50 protones y 82 neutrones.

En el más reciente trabajo, realizado por una colaboración de los físicos del CERN que utilizan la instalación ISOLDE de haz radiactivo, se investigó la interacción entre los componentes macroscópicos y microscópicos de la fisión nuclear. Se conoce como fisión beta retrasada un proceso de dos etapas en la que un núcleo beta padre se desintegra y entonces el núcleo hijo entra en fisión si se crea en un estado altamente excitado. Este tipo de reacción permite a los científicos estudiar las reacciones de fisión en los núcleos relativamente exóticos y fue estudiada por primera vez en el Laboratorio Flerov en Dubna, Rusia, hace aproximadamente 20 años, aunque las mediciones de Dubna no revelaron las masas de los fragmentos producidos.

Dispararle protones al uranio

El experimento en ISOLDE involucra el disparo de un haz de protones a un blanco de uranio y luego el uso de rayos láser y un campo magnético para filtrar iones de talio-180 entre la gran variedad de núcleos producidos en las colisiones de protones. Estos iones se implantan en una lámina de carbono, donde se someten a la desintegración beta, y luego se fisionan algunos de los átomos resultantes de mercurio-180. Los detectores de silicio colocados delante y detrás de la hoja permiten la medición de las energías de los productos de la fisión.

Los investigadores esperaban que la reacción de fisión fuese simétrica: el mercurio-180 se dividiría en dos núcleos de circonio-90, un resultado que se cría particularmente favorecido debido a que estos núcleos contienen un número mágico de neutrones (50) y un “semi-mágico” número de protones (40). Lo que encontraron, sin embargo, fue muy diferente. La energía de los productos de fisión registrada en los detectores de silicio no tuvo picos en un valor particular, lo cual sería el caso si se está produciendo un solo tipo de núcleos en las reacciones, sino que mostró dos picos distintos, en torno a los núcleos de rutenio-100 y el criptón-80.

El vocero de la colaboración Andrei Andreyev, de la Universidad de Lovaina, Bélgica (y actualmente en la Universidad del Oeste de Escocia), dijo que esta fisión asimétrica fue inesperada porque los fragmentos observados no contienen mimguna capa mágica o semi mágica. Su colega, el teórico Peter Möller de Los Alamos National Laboratory en los EEUU, de hecho había ideado un modelo del núcleo que predice que el mercurio-180 sufriría una fisión asimétrica. Pero no fue capaz de explicar por qué, después de haber trazado una superficie de energía potencial en tres dimensiones para la fisión del mercurio-180, y luego identificado un mínimo en esa superficie, pero no pudo identificar cuál de las tres variables era responsable de ese mínimo.

“Hermoso logro experimental”

Phil Walker, de la Universidad de Surrey en el Reino Unido, quien no es miembro de esta colaboración, describe la investigación como un “logro experimental hermoso” que tiene “un resultado teórico impresionante”. Él dice que el resultado será de interés, principalmente, para los académicos, pero considera que podría tener implicaciones prácticas. “Gran parte de la generación de energía depende de la fisión nuclear”, señala, “y si queremos hacer reactores más seguros y más baratos tenemos que ser capaces de confiar en la teoría básica del proceso de fisión. Yo diría que la teoría ha resultado ser muy deficiente, y necesita arreglos.”

Andreyev está de acuerdo. “I hope that as a result of our paper theorists will start to think about this problem and tell us what is happening,” he says. “Espero que, como resultado de de nuestro trabajo, los teóricos empiecen a pensar en este problema y nos digan qué es lo que está pasando”, dijo. “Por el momento no lo sabemos.”

La investigación aparece en la revista Physical Review Letters.

El autor de este artículo, Edwin Cartlidge, es escritor de ciencia con sede en Roma

Fuente: Physics World. Aportado por Eduardo J. Carletti


Tomado de:

Axxon (Argentina)

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