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1. Fusión
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FUSIÓN

La fusión por confinamiento magnético podría ser una fuente de energía que resolviera en el futuro algunos de los problemas que presenta nuestro modelo energético. Especialmente los relacionados con la escasez de recursos, puesto que el combustible es virtualmente inagotable, y los relacionados con las emisiones contaminantes, especialmente las de gases de efecto invernadero que fuerzan el calentamiento global.

En esta línea de trabajo, se ha empezado a construirán el sur de Francia el gran tokamak ITER (siglas inglesas de International Thermonuclear Experimental Reactor. Se puede encontrar numerosa información en http://www.iter.org ), que entrará en funcionamiento aproximadamente en 2016.

El plasma es el estado físico en que aparece la materia cuando se calienta a cientos de millones de grados, los necesarios para que se alcance la fusión. En este estado, la materia tiene propiedades muy diferentes a las de los otros estados físicos (sólido, líquido y gaseoso) a los que estamos acostumbrados.

Plasmas importantes son las estrellas, el fuego, las auroras boreales, los rayos,... y los plasmas de fusión. La creación de plasmas de fusión consiste ni más ni menos que en recrear en la tierra algunos de los fenómenos que ocurren en las estrellas. En los plasmas, los iones cargados positivamente y los electrones, cargados negativamente, se mueven en libertad, colisionando unos con otros, y generando complejos comportamientos colectivos.


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¿Por qué estudiamos la fusión?

El problema energético es uno de los más graves al que se enfrenta la humanidad como conjunto. Se trata de un verdadero desafío alcanzar fuentes de energía limpias, inagotables, bien distribuídas y que permitan un desarrollo sostenible y generalizable a toda la humanidad. Esta fuentes de energía han de permitir el cambio de modelo energético a uno que no tenga los problemas del actual.

La fusión por confinamiento magnético podría ser una de las fuentes de energía que permitan ese cambio de modelo. Se trata de una fuente de bajo impacto ambiental, prácticamente inagotable y bien distribuida.

Se trata de producir en la tierra las mismas reacciones que tienen lugar en el sol. Las temperaturas necesarias son los cientos de millones de grados, que ya se han alcanzado en algunos dispositivos. A tan altas temperaturas, la materia está en estado de plasma que ha de mantenerse confinado mediante una especie de botella magnética. Los plasmas son gases altamente ionizados compuestos de electrones e iones. Existen dos tipos de estos dispositivos de confinamiento que son los más prometedores con vistas a construir un reactor de fusión en el futuro: el tokamak, con forma de rosquilla, y el stellarator, de geometría más compleja.

En Ibercivis queremos estudiar el comportamiento de los iones de los plasmas confinados en los anteriores tipos de dispositivos. En cada ordenador se calculará una trayectoria de un ión, hasta sumar millones, para extraer las propiedades del confinamiento y estudiar fenómenos diversos.

Los resultados permitirán, por ejemplo, calcular el efecto de introducir en el ITER ciertas piezas imprescindibles para la extracción de la energía de los futuros reactores de fusión.


LA FUSIÓN Y EL PANORAMA ENERGÉTICO

El actual modelo energético en que se basa el consumo de la humanidad presenta severos problemas tanto desde el punto de vista ambiental como social. La principal fuente de energía son los combustibles fósiles, petróleo y sus derivados, gas y carbón, que suponen aproximadamente un 75% del total del consumo. La energía nuclear viene a suministrar un 6,5% de la energía primaria y las renovables, en forma de biomasa y de gran hidráulica, terminan de completar el panorama, con algo menos del 20%.
Desde el punto de vista ambiental, este modelo presenta el problema de la generación de afecciones ambientales de todo tipo. El consumo de combustibles fósiles da lugar, entre otros impactos y de forma sobresaliente, a la aparición del cambio climático, mientras que la energía nuclear conlleva la generación de residuos radiactivos, entre otros problemas. Desde el punto de vista social, el principal problema es la desigualdad tanto en el consumo como en la distribución en el mundo.

Hay que tener en cuenta que los combustibles fósiles están abocados a agotarse a medio plazo, por tanto, es una prioridad buscar nuevas fuentes de energía que tengan bajo impacto ambiental y que garanticen el suministro durante un tiempo largo. Las fuentes renovables están llamadas a jugar un papel decisivo y habrán de ser complementadas por otras, como la fusión termonuclear.
La fusión presenta la ventaja de que, por un lado, no genera emisiones de gases de invernadero y, por otro, su combustible es prácticamente inagotable. Como principal impacto ambiental hay que considerar la generación de residuos radiactivos de media y baja actividad. Sin embargo, dado el papel que la fusión puede jugar en el futuro, este problema sería admisible por la sociedad, sobre todo teniendo en cuenta que estos residuos serían radiactivos sólo durante unos cien años.
Por otra parte, la fusión no es una reacción en cadena, por lo que en los reactores de fusión sería imposible que se produjera un accidente como el ocurrido en 1986 en Chernobil. La cantidad de combustible en el interior del reactor es muy pequeña, por lo que en el caso del accidente más grave la radiactividad liberada sería también pequeña y no sería preciso evacuar a la población circundante. Finalmente, la reacción nuclear puede detenerse instantáneamente, en cuanto el reactor se saliera de los parámetros de funcionamiento. Sin embargo, el inconveniente de la fusión es su gran complejidad técnica que hace que todavía no esté disponible comercialmente.


LAS REACCIONES DE FUSIÓN Y LOS PLASMAS

La energía de fusión procede de ciertas reacciones nucleares en las que se unen núcleos ligeros para dar núcleos más pesados. La forma de conseguir que los núcleos choquen entre sí, a pesar de repelerse por tener cargas positivas, es comunicarles suficiente energía de movimiento. Ésta tiene que ser parecida a la que tienen las partículas en el interior de las estrellas, que funcionan también mediante reacciones de fusión. Estamos hablando, pues, de temperaturas de cientos de millones de grados, que son necesarias para que las partículas colisionen con suficiente ímpetu para vencer la repulsión de las cargas positivas. Por lo tanto, hay que invertir energía para conseguir que los núcleos alcancen las condiciones necesarias para que se fusionen y desprendan mucha mayor cantidad de energía que la suministrada.

Los plasmas tienen propiedades distintas de las de otros estados de la materia (sólido, líquido y gaseoso). Lógicamente, no existe ningún material que resista tan altas temperaturas y hay que buscar estrategias para confinar el plasma y así salvar este problema. La estrategia más avanzada, en la que se va a basar el ITER, es el llamado confinamiento magnético, es decir, la creación de una botella de campos magnéticos que mantenga el plasma separado de la pared de la vasija. Los campos magnéticos actúan sobre las partículas cargadas integrantes del plasma (iones y electrones) y las mantienen confinadas. En los plasmas, al igual que en el resto de fluidos (gases y líquidos), se producen numerosas inestabilidades que dan lugar a fenómenos de transporte de materia y energía más o menos violentos.

Los plasmas son sustancias esquivas, en los cambios se propagan rápidamente, a la velocidad de la luz, y así, en algunos casos se producen inestabilidades que se propagan a todo el plasma de forma casi instantánea. Además son buenos conductores de la electricidad y del calor, lo que hace que la energía que se les comunica tienda a escaparse fácilmente. La Física del Plasma se ha ocupado desde hace cuatro décadas, de forma no secreta, de todos estos problemas, lo que ha permitido grandes avances tanto mediante experimentos como con simulaciones teóricas. Los experimentos son claves en esta disciplina, porque las actividades de teoría y simulación aún no alcanzan a representar cabalmente todos los fenómenos que ocurren en el plasma. Sin embargo hay que tener en cuenta que muchas de las ecuaciones que rigen el comportamiento de los plasmas hay que resolverlas mediante ordenadores y sólo recientemente existen ordenadores lo bastante potentes como para ser capaces de obtener resultados que abarquen los fenómenos que ocurren en el plasma. En particular, tenemos que tratar con simulaciones de fenómenos turbulentos en presencia de campos magnéticos, o con el seguimiento de millones de partículas individuales en una estructura complicada de campos electromagnéticos.


TOKAMAKS Y STELLARATORS

Tras décadas de experimentos, se ha llegado a la conclusión de que el campo confinante más eficaz debe tener una componente helicoidal. No en vano, las vasijas magnéticas más prometedoras con vistas a la construcción de un reactor son el tokamak y el stellarator, en los que el campo magnético posee la citada componente helicoidal. La diferencia principal entre los tokamaks y los stellarators es que por los primeros circula una corriente muy intensa a través del plasma, mientras que por los segundos no circula o, si lo hace, la corriente es muy débil. Un tokamak es, pues, un dispositivo de confinamiento magnético con forma de rosquilla en el que el campo magnético es creado en parte por un conjunto de bobinas magnéticas planas en forma de D y también circulares y en parte por la propia corriente que circula por el plasma.
Así se crea un campo magnético con una cierta componente helicoidal, imprescindible para confinar el plasma. Esta misma corriente es capaz de calentar el plasma hasta elevadas temperaturas por la resistencia que opone el propio plasma. Como se ha dicho, el plasma es un buen conductor de la electricidad, por lo que la resistencia será débil y las temperaturas que se pueden alcanzar están limitadas.

Dado que a través de un stellarator no circula corriente, o bien que ésta es muy débil, todo el campo magnético se crea mediante bobinas externas. En los stellarators las bobinas son mucho más complicadas que en los tokamaks, puesto que la parte helicoidal del campo magnético hay que crearla toda ella por medios externos. En particular, en los modernos stellarators, las bobinas son alabeadas, lo que añade dificultades para su diseño y construcción.
La corriente que circula por el plasma de los tokamaks es ventajosa, en el sentido de que nos ahorra parte del campo magnético y de la potencia auxiliar de calentamiento.
Aún así, las inestabilidades que aparecen en los plasmas se extienden rápidamente a todo el volumen del tokamak, lo que motiva que la corriente cambie, provocando que el campo magnético se modifique,lo que a su vez provoca que el confinamiento empeore y así se va repitiendo el ciclo.
A este proceso se le llama disrupción y, afortunadamente, se puede predecir bastante bien cuando va a producirse.
Los stellaratorsk, por otra parte, están libres de estos problemas: no pueden sufrir disrupciones y permiten un funcionamiento continuo.


LA CIENCIA DE LOS MATERIALES

Además del conocimiento de los plasmas y de sus propiedades de confinamiento, se hace imprescindible el desarrollo de la Ciencia de los Materiales, clave en los futuros reactores de fusión, puesto que dichos materiales han de soportar condiciones extremas de radiactividad y de flujo de calor.
Especialmente resistentes han de ser la pared de la vasija donde está contenido el plasma y un elemento conocido como “divertor”, situado en el punto donde mayor será el flujo de potencia que se escapa del plasma. El divertor es un elemento de la vasija del reactor donde se concentra la mayor parte del flujo de calor y partículas del plasma que se escapa del campo magnético confinante, para lo que se diseñan unas bobinas de campo magnético apropiadas.

Los materiales que componen estos elementos han de ser muy resistentes y tener un nivel de activación bajo, es decir, han de soportar bien el baño de neutrones sin que se produzcan productos radiactivos que tarden más de 100 años en convertirse en inocuos.
tambié hay que garantizar que los metales que se empleen sean capaces de liberar el tritio capturado (los isótopos del hidrógeno se almacenan fácilmente en grandes cantidades en las superficies metálicas) con tratamientos apropiados.
Todos estos problemas planteados hacen que, además de la Física del Plasma, la Ciencia de los Materiales sea clave para conseguir que un reactor de fusión funcione apropiadamente. Con este fin se están desarrollando simulaciones muy ambiciosas en superordenadores y se está diseñando una instalación donde los materiales estarán sometidos a condiciones similares a las que se darán en el ITER.


EL ITER

El ITER (Internacional Tokamak Experimental Reactor) es el futuro experimento de fusión termonuclear por confinamiento magnético. Será de tipo tokamak, a pesar de los inconvenientes citados anteriormente, porque estos dispositivos están más avanzados que los stellarators y consiguen mejores parámetros del plasma. Su construcción ha empezado ya en Cadarache, una pequeña localidad en el sur de Francia.
El ITER es un gran experimento en el que participarán siete socios: La Unión Europea, Japón, Rusia, China, Estados Unidos, Corea del Sur e India. De todos ellos, el más fuerte en cuanto a aportación científica y económica es la Unión Europea.

El ITER pretende demostrar la viabilidad científica y tecnológica de la Fusión. Se pretende que el cociente entre la potencia producida y la inyectada, que se llama Q en el argot de los científicos de fusión, sea de un valor igual a 10, lo cual demostraría también la rentabilidad de la fusión.
En su actual diseño, ITER no producirá electricidad de forma comercial, pero permitirá ensayar los sistemas que lo harán en el futuro, a la vez que permitirá probar diversos diseños de una pieza muy importante que está fuera de la vasija: el llamado manto fértil, donde se deposita la energía de los neutrones, cuyas colisiones con el litio permiten fabricar el tritio que no existe en la naturaleza en la Tierra. Además, se probarán los tres principales sistemas de calentamiento que serán de utilidad en reactores comerciales, algunos de los cuales son muy novedosos y todavía requieren de posteriores desarrollos.
Se probarán nuevos sistemas de control, de adquisición y almacenamiento de datos, de superordenadores que permitan simular los plasmas del ITER, de sistemas de manipulación remota para evitar que las personas entren en zonas agresivas tanto desde el punto de vista químico como radiactivo...

En España, los trabajos en Fusión radican en el grupo del Laboratorio Nacional de Fusión del CIEMAT, que ha puesto en marcha el stellarator TJ-II, y que está participando en numerosas tareas particulares para construir ITER. A pesar de que éste es un tokamak, existen numerosos aspectos de la física del plasma comunes para tomawaks y stellarators, de tal forma que la experiencia adquirida en el TJ-II es válida para ITER. En particular, se realizan estudios del transporte turbulento y de la acción de los campos eléctricos sobre el plasma, así como de los efectos sobre el confinamiento de diferentes topologías magnéticas, todos ellos de utilidad para el ITER. Igualmente, se realizan estudios de materiales y de la interacción entre el plasma y la pared, de utilidad para los futuros reactores de fusión.

Los resultados científicos y tecnológicos del ITER serán la clave para demostrar la viabilidad de la fusión como una alternativa energética para el siglo XXI. Es difícil precisar el horizonte temporal en que la fusión esté disponible, pero, de acuerdo con estas estimaciones, es complicado que esté disponible un reactor comercial de demostración antes del año 2035.



(Extraído del blog de Ibercivis)




Enviado el: 1/7/2008 15:02

Editado por Califa enviado el 1/7/2008 17:38:37
Editado por Califa enviado el 1/7/2008 17:49:59
Editado por ljfc2001 enviado el 24/9/2012 23:10:35
Editado por ljfc2001 enviado el 24/9/2012 23:12:03
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Re: 1. Fusión
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Cual es la relacion entre el fusion de ibercivis y esto :

http://home.edges-grid.eu/home/

??

Enviado el: 30/10/2009 15:15
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Re: 1. Fusión
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eso mismo preguntaba yo en el hilo de edges...

Enviado el: 30/10/2009 18:53
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Re: 1. Fusión
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Ja eres el tal Buns nicolas ?

Enviado el: 30/10/2009 23:33
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Re: 1. Fusión
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jajaja no soy yo!

pero... eso, a ver que respuesta le dan...

Enviado el: 31/10/2009 11:32
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Re: 1. Fusión
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Es que cuando decías "eso mismo preguntaba yo en el hilo de edges..." pense que hablabas del foro de edges donde un tal nicolas hizo esa misma pregunta... pero resulta que nadie contesta nada en ese foro, y los usuarios ya se estan calentando (solo hubo un llamado admin que puso un post al abrir el foro).

Enviado el: 3/11/2009 14:32
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Re: 1. Fusión
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Respuesta.

Edges = fusion. O mejor dicho, el fusion que sale de edges es el mismo que el de ibercivis a traves de otro canal.

Enviado el: 9/11/2009 22:42
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Re: 1. Fusión
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Y aca tambien :

EDGeS collaboration with IberCivis
By Ad Emmen, On 11/10/09 9:46 PM

In the coming months Ibercivis - the Iberian volunteer desktop grid organisation, will start to work together with the EDGeS project. The Ibercivis platform will be integrated with the EDGeS infrastructure: applications will be able to run on both Grids. The organisations are also looking on how they can jointly work on getting more European citizens donating computing time to science. http://www.ibercivis.es/

Enviado el: 10/11/2009 23:07
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Re: 1. Fusión
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Ausente
Muchas gracias por la info Jerome, no sabía nada sobre eso..

En los próximos meses Ibercivis colaborará con el proyecto Edges. Este proyecto tiene como finalidad crear una red a nivel europeo que integre plataformas Desktop Grid, entre las que se encuentra la computación voluntaria como Ibercivis, y las plataformas GRID corporativas. Edges servirá para consolidar una nueva tecnología de computación distribuida que en los últimos años está experimentando un fuerte crecimiento en Europa.

Un saludo.

Enviado el: 10/11/2009 23:22
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Re: 1. Fusión
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Hello all,

I would like to ask kindly any of you to explain me shortly the relation between Ibercivis (Fusion aplication) and the EDGeS fusion aplication. I really cannot find any useful forum thread in English, and unfortunately, I cannot speak Spanish at all.

What I understood from the EDGeS annoucement (cited also above) is that it will be possible to run fusion aplication (ISDEP) within both Ibercivis and EDGeS projects. However, will the results from both of them be analysed together by the same scientists?

Or if you have any useful info regarding this question in English, provide the link please...

Many thanks muchachos...

Juraj

Enviado el: 8/2/2010 22:50
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Re: 1. Fusión
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19/10/2008 11:30
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I guess so. For the moment only test units come from EDGeS but then at some point units from the same scientific project will be sent via the two boinc projects.

Enviado el: 23/2/2010 20:15
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