Izarren energiaren bila

Soho

Ezinezkoa zaigu azaltzera goazen ezer ulertzea, aurretik kontzeptu sinple batzuk aurkezten ez baditugu. Nukleoitzat ezagutzen diren protoiz (p+) eta neutroiz (n) osatutako atomoaren nukleoa aztertuko dugu. Positiboki kargatua dagoenez (p+-en eraginez, noski), eremu elektrikoak kontuan hartu beharko ditugu bi nukleoen arteko edozein prozesutan. Baina eremu elektrikoak ez ezik, nukleoan barneratuz topatuko ditugun eremu bortitzek ere zeresan handia dute. Indar horiek oso hedapen mugatua dute, 10 ^-14 metro hain zuzen ere, baina eremu elektrikoak baino askoz intentsoagoak dira. Horrek esan nahi du nukleoaren barneko lotura-energiak oso altuak izango direla. Baina zer da lotura-energia delakoa? Ikus dezagun adibide batekin.

Bi p+ aske edo biak nukleo batean itsatsita edukitzea ez da gauza bera. p+ baten masa x bada, bi p+ askek osaturiko sistemak 2x-ko masa izango du. Era berean, pentsa daiteke bi p+-ak elkartzen direnean eraturiko nukleoaren masa 2x-koa dela. Baina hori ez da horrela. Osatu dugun nukleoaren masa 2x baino txikiagoa izango da, bien artean dagoen lotura-energia dela medio. Kontuan izan partikulen fisikan partikulen masak energia-unitateetan ematen direla, masa eta energia kontzeptu baliokideak baitira. Horrela, lotura-energia halako energia negatibotzat ulertu behar dugu. Zergatik negatiboa? Lotura-energiaren definiziora jotzen badugu, hau irakur dezakegu: nukleo baten lotura-energia hura osatzen duten partikula askeek nukleoa osatzean askatzen duten energia da.

Nukleo bat bere osagai diren partikula askeek osaturiko sistema bat baino askoz egonkorragoa da. Sistema batek egonkortasuna irabazten duenean, energia askatzen du. Nukleo baten eraketan, lotura-energiaren balioko energia-kantitatea askatzen da nukleoiko, eta horregatik hartzen dugu energia negatibotzat. Gure aurreko adibidean, beraz, bi p+-ek zuten energia aldatzen ez den arren, bi horien baturari lotura-energiaren balioa kendu behar zaio sistema osoaren energia kalkulatzeko. Azkenik, nukleoaren lotura-energia eremu bortitzen araberakoa denez, kontuan izan energia handiei buruz mintzo garela.

Ezkerrean atomoaren ikuspegi modernoaren irudikapena. Eskuineko grafikoan, berriz, nukleoi bakoitzeko lotura-energia ikus daiteke zenbaki masikoaren arabera.

Fusioa azaltzen hasi baino lehen, fisioaren –gure energia-iturri garrantzitsuena– nondik-norakoak ikustea komeni da. Fisioa nukleo bat bitan zatitzea da. Horretarako, eskuarki, n-ak erabiltzen dira. Haien bidez nukleoa kitzikatzen da bibrazio indartsuak sortarazteko. Bibrazio horien ondorioz, nukleoa bere oreka-puntutik irten eta bitan hausten da. Fisioa prozesu exoenergetikoa izan dadin, ordea, elementu egokiak aukeratu behar dira.

Zein elementu den egokia eta zein ez ikusteko, goiko irudira jo behar dugu. Han, nukleoi bakoitzeko lotura-energiaren balioa agertzen da, atomoaren zenbaki masikoaren (A) arabera. Zenbaki masikoak, azken finean, atomo konkretu batek duen nukleoi-kopurua neurtzen du. Ikus daitekeenez, A txikien kasuan A hazten den neurrian lotura-energia ikaragarri hazten da. Masa ertaineko nukleoetan, berriz, egonkortu egiten zaigu. Azkenik, masa handiko nukleoek beherakada bat erakusten dute. Ondorioz, nukleo pisutsu bat lotura-energia handiagoa duten bi nukleotan zatitzen badugu, energia lortuko dugu. Uranioa eta plutonioa, fisioetan gehien erabiltzen diren elementuak, aipaturiko nukleo pisutsuetako bi dira.

Azaldu duguna hobeto ulertzeko, fisio-prozesu konkretu bat aztertuko dugu:

n + ²³⁵ U Æ ⁹⁵ Mo + ¹³⁹ La + 2n

Ekuazioaren ezkerraldean zein eskuinaldean, nukleoi-kopuru berdina dugu: 236. Nukleoi bakoitzaren masa 10 MeV (megaelektrovolt) dela suposatuko dugu gauzak erraztearren. Uranioaren lotura-energia nukleoiko 7,5 MeV dela kontuan hartuz, ekuazioaren ezkerraldeko sistemaren energia 236x10 – 235x7,5 = 597,5 MeV da. Eskuinaldean nukleoi-kopuru berdina dugu, baina produktuen lotura-energia nukleoiko 8,4 MeV ingurukoa da oraingoan. Beraz, sistemaren energia 236x10 – 95x8,4 – 139x8,4 = 394,4 MeV da. Bi sistemen artean 203,1 MeV-ko diferentzia dago. Energia hori da fisioan askatzen dena, benetan beldurgarria.

Fisioan bada aipatzeko beste elementu bat: kate-erreakzioak. Uranioaren eta plutonioaren fisioetan, batez beste bi-hiru n askatzen dira. n horiek beste hainbeste nukleo fisionatuko dituzte, eta horrela gelditu gabe. Ondorioa leherketa bat izango da, 1945ean Hiroshiman eta Nagasakin gertatu zirenak bezalakoa. Kate-erreakzioak dira, nola ez, lehergailu atomikoen oinarri, baina baita zentral nuklearrenak ere. Azken horietan, ordea, n-ak xurgatuz, kate-erreakzio lineal edo kritikoak lortzen dira; hots, fisio batek beste bat bakarrik sorrarazten du.

Goian, U-235 nukleo baten fisioa ur-tantaren ereduaren arabera. Behean

,

lehergailu atomikoetan izaten den kate-erreakzioaren adibide posible bat.

Fusioa, modu sinple batean azalduta, bi nukleo elkarrekin elkartu eta beste nukleo bat osatzea da. Hori, noski, fisioaren aurkako prozesua da, prozesu horretan nukleoak zatitzea baita helburua. Horrela, fisioaren protagonistak nukleo pisutsuak diren bitartean, fusioan nukleo arinak erabiltzen dira erregaitzat. Ezkerreko irudian argi ikusten dugu nukleo arinen artean lotura-energiaren izugarrizko hazkundea dagoela zenbaki masikoa handitzen den heinean. Beraz, bi nukleo arin elkartu eta lotura-energia handiagoko nukleo bat eratzen badugu, energia lortuko dugu beste behin. Kalkulua fisioaren kasuan egin dugunaren oso antzekoa da.

Fusioak, fisioak gaur egun gure bizitzan duen lekua hartu nahi badu, argi dago ezaugarri hobeak aurkeztu behar dituela. Egin dezagun bien arteko konparaketa energia-iturri gisa onena zein den ikustearren. Lehenbizi, noski, alderdi energetikoari egingo diogu so. Fisio-prozesu bakar batean lortzen den energia fusio bakar batean lorturikoa baino askoz handiagoa da. Baina fusioan erabiltzen diren erregaiak uranioa eta plutonioa baino askoz arinagoak direnez, fusioan erregai-masaren unitateko lortzen den energia fisioan askaturikoa baino 2 edo 4 aldiz handiago izan daiteke. Beraz, alderdi energetikotik, fusioa interesgarriagoa da.

Bestalde, jakina da zentral nuklearrek hondakin erradioaktiboak sortzen dituztela, eta horregatik topa daitezke, besteak beste, zentral horien aurka dauden hainbeste erakunde. Halaxe da, zentral nuklearretan erregaitzat erabiltzen den U-238aren fisioan plutonioa sortzen da, eta elementu hori erradioaktiboa da. Fisio erreakzio horiek ez dira ‘garbiak’, hondakinak uzten dituzte. Alderdi horretatik begiratuz, fusioak energia garbia emango liguke. Fusio erreakzio egokienetan, elementu kaltegabeak sortzen dira, helioa edo deuterioa adibidez. Ez dago, beraz, inongo hondakinen beldur zertan izan.

Dena fusioaren alde dagoela badirudi ere, bada orain arte fusiozko zentral nuklearrik egiten utzi ez duen faktore zeharo garrantzitsu bat. Bi nukleo fusionatzeko, elkarren aurka jaurti behar ditugu talka egin eta indar bortitzen bitartez itsatsita geldi daitezen. Baina nukleoak p+-z osatuak daude, hots, karga elektriko positiboa dute. Ondorioz, bi nukleok elkar aldaratuko dute.

Aldarapen-indar horiek gainditzeko, nukleoek energia zinetiko handiak behar dituzte. Demagun erregaia biltzen dugula fusioaren bidez energia lortzeko. Partikula-sistema honek 10 ⁹ kelvineko tenperaturan egon beharko luke bertako nukleoek nahiko energia zinetiko izan dezaten fusioa lortzeko. Horrelako tenperaturak gure Eguzkiaren zentroan ere ez daude. Fisiozko lehergailu batek ere ez luke inondik ere horrelakorik lortuko. Beraz, galdera argi dago: nola demontre lor daiteke fusio batek behar duen energia-piloa? Lehen erantzuna lehergailu atomikoekin etorri zitzaigun.

Lehergailu nuklear baten leherketak eragindako perretxikoa .

Fusioaren historia, fisioarena bezala, lehergailu nuklearrekin hasi zen. Sobietarrek beren fisiozko lehergailua probatu zutenean, AEBetan larritasun ikaragarria sortu zen. Politikariek komunismoa hartu zuten etsaitzat, eta lehergailu nuklearren jabetza arrisku handien gisa. Sobietar Batasuna mehatxu handia zen AEBen interes poltiko eta ekonomikoentzat. Testuinguru horretan, AEBetako zientzialariak eztabaida oso garrantzitsu bat hasi zuten: komenigarria al zen fusiozko lehergailu nuklear baten bilaketa martxan jartzea Sobietar Batasunaren mehatxuari aurre egiteko?

Aldeko iritziak (John Wheeler, Edward Teller) eta aurkakoak (Oppenheimer) entzun ondoren, Trumanek, Hiroshimako eta Nagasakiko lehergailuak botatzeko agindu zuen gizonak, superlehergailuaren bilaketarako programa abian jar zedila agindu zuen 1950eko martxoaren 10ean. Hala ere, ez da ahaztu behar sobietarrak jada garai haietan beren programa garatzen hasiak zirela helburu berdinarekin. Eta horrela hasi zen lasterketa.

Superlehergailuaren bilaketa 1949an hasi zen, programa intentsiboa artean abian jartzeko zegoela. Garai hartan zientzialariek garatu zituzten diseinuek ez zuten arrakastarako inolako aukerarik. Hala ere, ezer hoberik ezagutzen ez zenez, 1951 arte ideia horien gainean ziharduten jo eta ke lanean. Inflexio-puntua Teller-Ulam ereduarekin iritsi zen. Hasieran diseinu-ideia bat zena, lan ikaragarrien ondoren, proiektu sendo bilakatu zen 1952an. Kalkulu guztiek ondorio bera ematen zuten: superlehergailua posible zen eta nahi bezain indartsu izan zitekeen.

Zertan datza Teller-Ulam ideia? Lehenik eta behin, eta proiektu horien misterio-maila ikustearren, datu bat eman beharrean gaude: 80ko hamarkada arte ez zen publiko egin Teller-Ulam ideia. Ordura arte, AEBen maila goreneko sekretua zen. Baina, sobietarrek ez al zuten haren berri? Egiazki, sobietarren lehen diseinuak ez ziren bide horretatik joan, baina 1954an, Sajarov eta Zel’dovich, beren kasa, ondorio berdinera iritsi ziren.

Teller-Ulam diseinua behar bezala ulertzeko, ondoko irudira jo behar dugu. Hor ikus daitekeenez, lehergailuak bi zati ezberdin ditu. Alde batetik fisiozko gailu bat daukagu, eta bestetik, fusioa egiteko erregaia. Fisiozko gailua martxan jartzean, lehen mikrosegundoan intentsitate beldurgarrizko X izpiak igortzen dira. Izpi horiek, moduren batean fusio-erregaira bideratuko balira, fusiorako behar diren baldintzak lortzea legoke. Nola? X izpiekin erregaia bonbardatuz, erregaia uzkurtzea lortzen da izpien presioagatik.

Teller-Ulam ideiaren diseinuaren araberako lehergailua.

Denok dakigu gas bat uzkurtzean berotu egiten dela. Berotuz gero, gas molekulen energia zinetikoak gora egiten du, eta geroz eta talka bortitzagoak lortu. Uzkurdura hori nahiko handia bada, oso-oso eremu txiki batean fusioa lortzeko beharrezko diren tenperaturak erdiets daitezke. Prozesu hori inplosio izenarekin ezagutzen da. Lehen fusio erreakzio horiek inguruko erregaia fusionatzeko besteko beroa askatuko dute, eta, horrela, kate-erreakzio bat lortu. Kate-erreakzio horrek ez dauka inongo kontrolik, beraz, leherketa indartsu bat izango da haren ondorioa.

Ikus daitekeenez, fusioa lortzeko sistema bat lortu zen. Baina sistema horrek, nahiz eta fusioa lortzeko baldintzak sortzen dituen, ez du inondik ere bermatzen fusio hori kontrolatua izatea. Beraz, oraindik ere gure helburutik urrun aurkitzen gara; hots, fusio kontrolatua lortzea handik energia modu aprobetxagarri eta iraunkor batean ateratzeko.

Azkenean iritsi gara artikuluaren punturik garrantzitsuenera. Posible al da fusiozko zentral nuklearrak eraikitzea? Eta hala bada, zein da bidea? Galdera horiek eta beste batzuk ITER proiektuaren garapenarekin batera erantzungo ditugu.

ITER (International Thermonuclear Experiment Reactor) nazioarteko proiektu handi bat da. Haren helburua fusiozko zentral nuklear bat eraikitzea da. Beste hitz batzuekin esanda, hainbeste urtetan amets bat bezala ikusi den energia garbi eta ia bukaezina benetakoa izan daitekeela erakutsi nahi digu. Horretarako, Japonia, Errusia, Kanada eta Europako Batasuneko zientzialariak elkarlanean ari dira tinko.

Zentral horren eraikuntzan igo beharreko aldatzik gogorrena, inolako zalantzarik gabe, orain arte azaldu duguna da. Arazoa honela plantea daiteke: fusiorako erregaiak tenperatura, dentsitate eta presio oso altuetan egon behar du fusioa hasteko. Arazo hori lehergailu nuklearrekin gainditu bazen ere (Teller-Ulam mekanismoa), lehen azaldu dugun moduan, zentral nuklearretan hori ez da nahikoa.

Lehergailu batean ez bezala, tenperatura horiek nahiko denboran eta zati nahiko handian mantendu behar dira, lorturiko fusio kopuruek askaturiko energia guk aipaturiko baldintzak ezarri eta mantendu ahal izateko erabili dugun energia baino gehiago izan dadin. Hots, prozesu osoaren balantze energetiko positiboa lortu nahi da, baina modu kontrolatu eta iraunkor batean. Hori gaurdaino ez da posible izan.

Azkenik paper gaineko ikerkuntzek benetako probari eman behar dioten txanda.

Inter

Azaldu berri dugun buruhauste hori konpontzeko, bi metodo daude: alde batetik, konfinamendu inertziala deritzona eta, bestetik, konfinamendu magnetikoa. Lehenbizikoa Teller-Ulam ideian oinarritzen da. AEBek bide horri eutsi diote fusiozko zentralen ikerkuntzan, eta oraingoz ez dirudi oso egokia. Bestalde, ITEReko zientzialariek bigarren metodoaren aldeko apustu sendoa egin dute.

Konfinamendu magnetikoa aurrera eramateko, toroide- edo donut-forma duen dispositibo berezi bat erabiltzen da. Errusiarrak izan ziren lehenak donut hau eraikitzen, eta tokamak izena eman zioten. Haren barruan joango da fusiorako erabiliko den erregaia. Tokamakak , kanpoaldean eta espiral bat osatuz, korronte elektrikoa garraiatzeko kable bat dauka. Handik, I _t korrontea igarotzen da, eta eremu magnetiko toroidala ( _t ) deritzona sortzen du.

Eremu hori donutaren barnealdetik igarotzen da (beheko irudia (a)). Eremu toroidalaren ondorioz, plasmak berak I _p korrontea sortzen du (ez ahaztu materia plasma-egoeran dagoenean nukleoak eta elektroiak guztiz askeak direla, hots, erabat ionizatua dagoela). Korronte horrek, aldi berean, eremu poloidal ( _p ) deitzen den eremu magnetiko bat sortzen du (beheko irudia (b)). Bi eremu horien erresultantea den eremu magnetikoaren indar-lerroek barrualdera okertzen den helize baten itxura dute. Hori dela eta, korronteen intentsiteak handitzean, eremu magnetikoen intentsitatea handitzen da eta plasma donutaren barnean uzkurtzen da tenperatura handituta. Korronteen intentsitateak nahiko handiak direnean gertatzen da fusioa.

Kontuan hartu korronteek ikaragarrizko intentsitateak izan behar dituztela. Horrek, noski, energia-gastu oso handia eskatzen du. Gastu hori minimizatzeko eta fusioan lorturiko energia baino handiagoa izan ez dadin, kable supereroaleak erabiltzen dira. Ez da gure xedea material berezi horiei buruz hitz egitea, baina gaur egungo teknologia onena ITERen martxan jarriko dela adierazteko iruzkin egokia deritzogu.

Azaldu berri dugun metodo horrekin bi arazo gainditzen dira: bat, erregaia fusio-tenperaturara eramateaz gain, fusioak denboran zehar konstanteak eta kontrolatuak izan daitezen baldintzak sortzen dira; eta bi, erregai guztia leku batean itxita edukitzeko aukera legoke. Azken hori pozteko modukoa da benetan. Plasma-egoeran dagoen materia hain da beroa, ezen ez den existitzen materialik hura barnean eduki dezakeenik.

Orain, fusio erreakzio interesgarriena topatzea falta zaigu. Interesgarria aipatzean, energia ez ezik beste kontzeptu batzuk ere sartzen dira jokoan, hala nola, erregaiak lortzeko erraztasuna eta erreakzioaren garbitasuna. Ikuspuntu horretatik, honako erreakzio hau aukeratu dugu:

2

H + ³ H Æ ⁴ He + n + 17,6 MeV

Konfinamendu magnetikoa aurrera eramateko, toroide- edo donut-forma duen dispositibo berezi bat erabiltzen da.

Erreakzio horretan deuterioa ( ² H) eta tritioa ( ³ H) fusionatzen dira, eta helioa ( ⁴ He) lortu. Energia asko askatzeaz gain, erreakzio horrek beste abantaila bat dauka: deuterioa, itsasoko uraz baliatuz, erraz eta ingurumena errespetatuz lor daiteke.

Hala ere, arazo garrantzitsu batzuk daude. Alde batetik, n-ak askatzen dira, eta, ondorioz, erreakzioa ez da garbia, n-en bidez erradioisotopoak sor baitaitezke. Erradioisotopoak oso kutsakorrak direnez, orokorrean n-ak askatzen dituzten erreakzio guztiak alde batera uzten dira. Bestetik, gure planetan ez dago nahiko tritio gure etorkizuneko zentral nuklearrak hornitzeko. Bi arazo horiek, ordea, konponbide erraza edukitzeaz gain, abantailatxo batzuk dakartzate konponbidearen ondorioz. Lurrean erraz aurki daitekeen litio-6 isotopoa fisionatuz gero, tritioa eskura dezakegu modu garbian. Hori gutxi ez eta, fusiorako erabili dugun erreakzioan askaturiko n-a erabil daiteke litioaren fisioa lortzeko, n + ⁶ Li Æ ⁴ He + ³ H erreakzioaren arabera. Beraz, nahikoa genuke erreaktorean litiozko xafla batzuk sartzea, handik tritioa sortuko bailitzateke fusioak gertatu ahala. Zentralak, horrela, bere burua hornituko luke tritioz.

Beraz, deuterio-tritio erreakzioaz baliatuz eta tokamaka erabiliz, ITEReko arduradunek fusiozko lehen zentral nuklearra eraikitzeko asmoa dute. Azaldu ditugun kontzeptuak, oso sakon aztertuak izateaz gain, esperimentu txiki batzuetan probatu dira jada. Emaitzek itxaropenez betetzen gaituzte: ITER ez da utopia bat.

Azkenik, paper gaineko ikerkuntzek benetako probari pasa behar diote txanda. ITERen eraikuntza-faseari ekin behar zaio laster, baina aurretik non egin erabaki behar da. Errusiak ez beste partaide guztiek hautagai bana aurkeztu dute eta erabakia laster hartzea espero da.

Proiektua epe luzerako da, gutxi gorabehera 30 bat urterako, eta berari esker baliteke gizakiak behin betiko irtenbidea ematea bere behar energetikoei, irtenbide ekologikoa. Ez dakigu gure itxaropenak azkenean errealitate bilakatuko direnetz, baina zerumugan lainoak baino argi gehiago ikusten dugun bitartean, amets egingo dugu. Azkenik, Lurrean erabiliko al dugu izarren energia?

ITER proiektuan eraiki nahi den fusio-erreaktorearen marrazkia. Gizontxoak eskala adierazten du.

BIBLIOGRAFIA

• Antonio Fernández-Rañada.
  Física Básica, 2.
  Alianza Editorial, 1997.
• M. Alonso eta E. J. Finn.
  Física
  Addison-Wesley Iberoamericana, 1995.
• Kip S. Thorne,
  Agujeros negros y tiempo curvo
  Critica, 1995.
• www.iter.org