FUCION
NUCLEAR
En física nuclear, fusión nuclear es el proceso por el cual varios
núcleos atómicos de carga similar se unen y forman un núcleo más pesado.
Simultáneamente se libera o absorbe una cantidad enorme de energía, que permite a la materia entrar en un
estado plasmático.
La fusión
de dos núcleos de menor masa que el hierro (en este elemento y en el níquel ocurre la mayor energía de
enlace nuclear por
nucleón) libera energía en general. Por el contrario, la fusión de núcleos más
pesados que el hierro absorbe energía. En el proceso inverso, la fisión nuclear, estos fenómenos suceden en
sentidos opuestos.
En el
caso más simple de fusión, en el hidrógeno, dos protones deben acercarse lo suficiente
para que la interacción
nuclear fuerte pueda
superar su repulsión eléctrica mutua y obtener la posterior liberación de
energía.
En la naturaleza
ocurre fusión nuclear en las estrellas,
incluido el sol.
En su interior las temperaturas son cercanas a 15 millones de grados Celsius.1Por ello a las reacciones de fusión se
les denomina termonucleares.
En varias empresas se ha logrado también la fusión (artificial), aunque todavía
no ha sido totalmente controlada.
Sobre la
base de los experimentos de transmutación
nuclear de Ernest Rutherford, conducidos pocos años
antes, Mark Oliphant,
en 1932, observó por vez primera la fusión de núcleos ligeros (isótopos de
hidrógeno).
Posteriormente,
durante el resto de ese decenio, Hans Bethe estudió
las etapas del ciclo principal de la fusión nuclear en las estrellas.
La
investigación acerca de la fusión para fines militares se inició en los años 40 del siglo XX como parte del Proyecto
Manhattan, pero no tuvo buen éxito hasta 1952. La indagación
relativa a fusión controlada con fines civiles se inició en el decenio
siguiente, los 50, y
continúa hasta la fecha.
Para que pueda ocurrir la fusión debe
superarse una importante barrera de energía producida por la fuerza electrostática.
A grandes distancias, dos núcleos se repelen debido a la fuerza de repulsión
electrostática entre sus protones, cargados positivamente.
Sin embargo, si se puede acercar dos
núcleos lo suficiente, debido a la interacción nuclear fuerte, que en
distancias cortas es mayor, se puede superar la repulsión electrostática.
Cuando un nucleón (protón o neutrón) se añade a un núcleo, la fuerza nuclear atrae a otros
nucleones, pero -debido al corto alcance de esta fuerza- principalmente a sus
vecinos inmediatos. Los nucleones del interior de un núcleo tienen más vecinos
nucleones que los existentes en la superficie.
Ya que la relación entre área de
superficie y volumen de los núcleos menores es mayor, por lo general la energía
de enlace por nucleón debido a la fuerza nuclear aumenta según el tamaño del núcleo, pero
se aproxima a un valor límite correspondiente al de un núcleo cuyo diámetro
equivalga al de casi cuatro nucleones.
Por otra parte, la fuerza electrostática
es inversa al cuadrado de la distancia. Así, a un protón añadido a un núcleo le
afectará una repulsión electrostática de todos los otros protones.
Por tanto, debido a la fuerza
electrostática, cuando los núcleos se hacen más grandes, la energía
electrostática por nucleón aumenta sin límite.
En distancias cortas la
interacción nuclear fuerte (atracción) es mayor que la fuerza electrostática
(repulsión). Así, la mayor dificultad técnica para la fusión es conseguir que
los núcleos se acerquen lo suficiente para que ocurra este fenómeno. Las distancias no están a escala.
El resultado neto de estas fuerzas
opuestas es que generalmente la energía de enlace por nucleón aumenta según el
tamaño del núcleo, hasta llegar a los elementos hierro y níquel, y un posterior descenso en los núcleos más pesados.
Finalmente la energía de enlace
nuclear se convierte en negativa, y los núcleos
más pesados (con más de 208 nucleones, correspondientes a un diámetro de
alrededor de seis nucleones) no son estables.
Cuatro núcleos muy estrechamente unidos,
en orden decreciente de energía de enlace
nuclear, son 62Ni, 58Fe, 56Fe, y 60Ni.2 A pesar de que el isótopo de
níquel 62Ni es más estable, el isótopo de hierro 56Fe es una orden de magnitud más común. Esto se debe
a mayor tasa de desintegración de 62Ni en el interior de las estrellas, impulsada por absorción de fotones.
Una notable excepción a esta tendencia
general es el núcleo helio 4He, cuya energía de enlace es mayor que la del litio, el siguiente elemento por incremento de peso.
En el principio de exclusión
de Pauli se proporciona una explicación a esta
excepción: debido a que los protones y los neutrones son fermiones, no pueden existir en el mismo estado.
A causa de que el núcleo del 4He está integrado por dos protones y dos neutrones, de modo que sus cuatro
nucleones pueden estar en el estado fundamental, su energía de enlace es
anormalmente grande. Cualquier nucleón adicional tendría que ubicarse en
estados de energía superiores.
Tres ventajas de la fusión nuclear son: a)
en gran parte sus desechos no revisten la problemática de los provenientes de
fisión; b)abundancia -y buen precio- de materias primas, principalmente del
isótopo de hidrógeno deuterio (D); c) si una instalación dejara de funcionar se apagaría inmediatamente, sin peligro de fusión no
nuclear.
En un diseño prometedor, para iniciar la
reacción, varios rayos láser de alta potencia transfieren energía a una
pastilla de combustible pequeña, que se calienta y se genera una implosión: desde todos los puntos se colapsa y se comprime
hasta un volumen mínimo, lo cual provoca la fusión nuclear.3
Confinamiento electrostático estable para fusión nuclear
Como se
puede apreciar en el dibujo de arriba, se basa en circunscripción total de iones de hidrógeno, confinados
electrostáticamente.
Los
beneficios de este confinamiento son múltiples:
·
La ionización del hidrógeno se genera fácilmente por
el campo eléctrico que absorbe los electrones sin disminuir la intensidad de
ese campo.
·
Se puede obtener un campo eléctrico intenso, lo cual evitaría fuga
de los iones de hidrógeno.
·
La energía necesaria es menor que la consumida por un reactor de fusión que genere un campo electromagnético para confinar los iones.
La fusión
nuclear se logra por medio de compresión-descompresión, aumentando o
disminuyendo la intensidad del campo eléctrico. Para ello se aumenta o se
disminuye la velocidad del generador de electricidad.
Como moderador de neutrones se puede utilizar plomo, aunque habría que
probar su eficacia. Véase dibujo en
este enlace
La fusión nuclear es una reacción nuclear
en la que dos núcleos de átomos ligeros, en general el
hidrógeno y sus isótopos (deuterio y
tritio), se unen para formar otro núcleo
más pesado, liberando una gran cantidad de
energía (ver la definición de energía).
Un ejemplo claro lo vemos a diario en la energía solar que tiene su origen en
la fusión de núcleos de hidrógeno, generándose helio y liberándose una gran
cantidad de energía que llega a la Tierra en forma de radiación
electromagnética.
Para efectuar las reacciones de fusión nuclear, se deben cumplir los
siguientes requisitos:
·
Temperatura muy elevada para separar los electrones del núcleo y que éste se aproxime a otro
venciendo las fuerzas de repulsión electrostáticas. La masa gaseosa compuesta
por electrones libres yátomos altamente ionizados
se denomina PLASMA.
·
Confinamiento necesario para mantener el plasma a elevada temperatura durante un tiempo
mínimo.
·
Densidad del plasma suficiente para que los núcleos estén cerca unos de otros y puedan lugar a reacciones
de fusión.
Los confinamientos
convencionales, como las paredes de una vasija, no son factibles debido a las
altas temperaturas del plasma. Por este motivo, se encuentran en desarrollo dos
métodos de confinamiento:
·
Fusión nuclear por confinamiento inercial
(FCI): Consiste en crear un medio tan denso que las partículas no tengan casi
ninguna posibilidad de escapar sin chocar entre sí. Una pequeña esfera
compuesta por deuterio y tritio es impactada por un haz de láser, provocándose
su implosión. Así, se hace cientos de veces más densa y explosiona bajo los
efectos de la reacción de fusión nuclear.
·
Fusión nuclear por confinamiento magnético
(FCM): Las partículas eléctricamente cargadas del plasma son atrapadas en un
espacio reducido por la acción de un campo magnético. El dispositivo más
desarrollado tiene forma toroidal y se denomina TOKAMAK.
La fusión nuclear tiene lugar cuando dos núcleos de átomos ligeros se unen
para formar otro núcleo más pesado, liberando una gran cantidad de energía.
Los elementos atómicos empleados normalmente en las reacciones fusión
nuclear son el Hidrógeno y susisótopos: el Deuterio (D)
y el Tritio (T). Las reacciones de fusión más importantes son:
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