Fusión nuclear

La fusión nuclear es cuando dos núcleos atómicos ligeros se unen para formar un solo núcleo más pesado. Este proceso ocurre naturalmente dentro de las estrellas, incluido el Sol, y libera grandes cantidades de energía.

¿Cómo funciona la fusión nuclear?

Las reacciones de fusión nuclear ocurren en un gas caliente conocido como plasma. El plasma está hecho de electrones e iones positivos que se mueven libremente, y tiene propiedades únicas que lo diferencian de otros gases, líquidos o sólidos.

Las estrellas, incluido nuestro sol, son bolas de plasma hechas de hidrógeno y helio, creadas por el colapso gravitatorio de nubes de gas frío, que se comprime y calienta, convirtiéndose en plasma. Todo esto crea las condiciones perfectas, incluidas las altas temperaturas de alrededor de diez millones de grados centígrados, necesarias para la fusión del hidrógeno.

Estas altas temperaturas proporcionan suficiente energía para que los núcleos ligeros superen su repulsión eléctrica natural de modo que, una vez que se encuentran muy cerca uno del otro, la fuerza nuclear que los atrae supera la repulsión eléctrica (conocida como fuerza de Coulomb), lo que les permite fusible.

Además del calor y la proximidad, la fusión requiere que los núcleos estén confinados en un área pequeña. Las presiones extremas creadas por la gravedad de las estrellas crean este requisito final para que ocurra la fusión.

Cuando se combinan protones y neutrones de núcleos más ligeros por esta atracción nuclear, la reacción nuclear libera energía adicional. Esto no es lo mismo para los núcleos más pesados, que tienen una fuerza nuclear de menor alcance, que, en lugar de liberar energía con la fusión, requieren energía como entrada.

Las estrellas crean energía fusionando núcleos de hidrógeno y liberando helio. El núcleo del Sol fusiona 620 millones de toneladas métricas de hidrógeno cada segundo, lo que da como resultado 616 millones de toneladas métricas de helio por segundo. Por cada dos núcleos de hidrógeno que se fusionan para formar helio, el 0,645% de la masa se transporta como energía cinética de partículas alfa y otras formas de energía, como la radiación electromagnética.

La investigación ha investigado el aprovechamiento de esta reacción natural y el uso de la energía que se crea para nuestras propias necesidades. Los seres humanos ya han utilizado el proceso inverso, la fisión nuclear, donde se dividen elementos más pesados ​​como el uranio y el plutonio, para crear energía. Es la energía de unión entre la materia nuclear la que mide la eficiencia con la que los nucleones se unen y determina la energía liberada tanto por la fisión como por la fusión nuclear .

Con la cantidad correcta de calor, una proximidad cercana y altos niveles de presión, los protones y neutrones pueden unirse, liberando diferentes niveles de energía dependiendo de su composición del elemento.

El hidrógeno, por ejemplo, consta de un solo protón, mientras que los isótopos pesados ​​del hidrógeno (deuterio (D) y tritio (T)) liberan más energía a medida que contienen más partes (el deuterio tiene un protón y un neutrón, mientras que el tritio tiene un protón y dos neutrones). Hasta ahora, hemos observado la fusión que ocurre en las estrellas, pero los científicos e ingenieros han estado tratando de recrear las condiciones para la fusión aquí en la Tierra.

La atracción gravitacional masiva de las estrellas ayuda a inducir la fusión nuclear, pero sin esta fuerza, se requieren temperaturas más altas para causar la fusión. Por ejemplo, en la Tierra, se necesitan temperaturas superiores a los 100 millones de grados centígrados para provocar la fusión entre el deuterio y el tritio.

Historia de la fusión nuclear

El proceso de fusión nuclear se ha estudiado como un medio para comprender la materia nuclear, aprender sobre la física nuclear de los objetos estelares y crear armas termonucleares. Sin embargo, ha habido un movimiento para desarrollar reactores de fusión para la generación de energía desde la década de 1940.

Fue en 1920 cuando Arthur Eddington sugirió por primera vez que la fusión de hidrógeno/helio podría ser la principal fuente de energía estelar, con el descubrimiento de túneles cuánticos en 1927 por Friedrich Hund. Después de esto, Robert Atkinson y Fritz Houtermans utilizaron las masas medidas de elementos ligeros para demostrar que se liberan grandes cantidades de energía al fusionar pequeños núcleos.

Los primeros experimentos de Patrick Blackett en transmutación nuclear artificial condujeron a la primera fusión de laboratorio de isótopos de hidrógeno realizada por Mark Oliphant en 1932. El resto de la década de 1930 vio a Hans Bethe elaborar la teoría del ciclo principal de fusión nuclear en estrellas.

Con el advenimiento de la Segunda Guerra Mundial, no sorprende que los propósitos militares tuvieran prioridad a medida que la investigación sobre la fusión alimentaba el Proyecto Manhattan de principios de la década de 1940 y el desarrollo de armamentos nucleares. Esto condujo a la prueba de la bomba termonuclear de hidrógeno Ivy Mike el 1 de noviembre de 1952, donde se produjo la fusión nuclear autosostenida.

A medida que los programas de investigación en el Reino Unido, los Estados Unidos y la Unión Soviética condujeron a una mejor comprensión de la fusión a fines de la década de 1940 y en la década de 1950, los investigadores comenzaron a considerar cómo se podría usar el proceso para la generación práctica de energía.

Los primeros programas de investigación para reactores de fusión nuclear se centraron principalmente en el uso de campos magnéticos y fuerzas electromagnéticas para contener el plasma caliente necesario para crear reacciones de fusión nuclear. Sin embargo, los gases calientes en expansión eran difíciles de contener, ya que escapaban fácilmente de las estructuras magnéticas que los encerraban.

Aunque la Guerra Fría todavía estaba en curso, la Segunda Conferencia de Ginebra sobre los usos pacíficos de la energía atómica en 1958 vio gran parte de la investigación sobre fusión de los Estados Unidos, el Reino Unido y la Unión Soviética desclasificada, abriendo la colaboración internacional que continúa hasta el día de hoy.

A principios de la década de 1960, comenzó el trabajo sobre la fusión por confinamiento inercial (ICF), que ofrece otro método potencial para crear fusión utilizando láseres. La propuesta entonces clasificada buscaba emplear grandes pulsos de energía láser para implosionar y calentar la materia a temperaturas lo suficientemente altas como para causar la fusión nuclear. Desde entonces, este trabajo ha avanzado y ha sido desclasificado (a partir de la década de 1970), y el trabajo de diseño y desarrollo aún está en curso para crear láseres de pulso corto y alta potencia y objetivos de tamaño milimétrico capaces de producir fusión nuclear.

El confinamiento magnético todavía parece liderar la carga de los reactores de fusión, ya que se han logrado en gran medida las condiciones necesarias para el aislamiento térmico y las temperaturas del plasma. Si bien no hemos llegado al punto en que los reactores de fusión nuclear estén listos para su uso, los expertos creen que nos estamos acercando.

Ventajas de la fusión nuclear

Los científicos e ingenieros han estado investigando cómo replicar y aprovechar la fusión nuclear en la Tierra a escala industrial.

Los beneficios del combustible de fusión nuclear incluyen proporcionar una fuente de energía totalmente renovable, limpia, segura y asequible. La fusión puede generar alrededor de cuatro veces la cantidad de energía que la fisión por kilogramo y casi cuatro millones de veces la cantidad de energía producida al quemar carbón o petróleo.

Muchos de los conceptos de reactores de fusión nuclear en desarrollo utilizarán deuterio y tritio; átomos de hidrógeno que contienen neutrones adicionales y son capaces de producir un terajulio de energía a partir de unos pocos gramos, lo que es suficiente para proporcionar energía a una persona en un país desarrollado durante sesenta años.

Otra ventaja de la fusión nuclear es la facilidad con la que se pueden reunir las materias primas. El deuterio se puede extraer del agua de mar y el tritio se puede producir a partir de la reacción de neutrones con litio. Ambos suministros durarán millones de años.

La fusión no solo tiene el potencial de proporcionar energía limpia casi ilimitada, sino que también es una fuente segura de energía que, a diferencia de la fisión, no produce desechos nucleares de larga duración. Debido a las dificultades para iniciar y mantener una reacción de fusión, no hay peligro de que la reacción se escape y cree una fusión. En caso de accidente, el plasma terminará y perderá su energía muy rápidamente antes de que se produzcan daños sostenidos en el reactor.

Finalmente, la fusión nuclear no emite dióxido de carbono u otros gases de efecto invernadero dañinos a la atmósfera, lo que también proporciona una fuente de energía baja en carbono.

Ejemplos de fusión nuclear

Se están investigando dos métodos principales para contener el plasma de alta temperatura necesario para las reacciones de fusión en la Tierra. Estos son el confinamiento magnético y el confinamiento inercial. Además de estos métodos principales, también se han realizado investigaciones para catalizar la fusión mediante el uso de muones, así como la fusión en frío y la fusión de burbujas.

Examinaremos cada uno de estos procesos a su vez:

Confinamiento Magnético

Este método utiliza campos magnéticos para mantener el plasma en su lugar. El plasma generalmente se mantiene dentro de una cámara en forma de anillo llamada toro, con poderosos imanes colocados alrededor de los bordes interiores. El campo magnético mantiene el plasma caliente en el centro de la cámara y alejado de los bordes.

El plasma también puede crear sus propios campos magnéticos a medida que fluye, que también se pueden usar para contener aún más el propio plasma. Este método ha tenido éxito en máquinas conocidas como Tokamaks que pueden generar el calor, la densidad de partículas y el confinamiento de energía necesarios para crear una reacción de fusión.

Fusión por confinamiento inercial (ICF)

ICF usa compresión en lugar de altas temperaturas para comenzar la reacción de fusión. Comprimir el combustible durante períodos cortos de tiempo (medidos en nanosegundos) aumenta la velocidad de implosión y crea ondas de choque que calientan el centro del plasma enfriado. Este calor de choque inicia la reacción de fusión que libera energía.

Este método utiliza los mismos procesos de colapso, calentamiento por compresión y posterior fusión nuclear que se utilizan en las armas termonucleares. Las estrellas también usan un conjunto similar de procesos, excepto que estos son causados ​​por la gravedad, lo que hace que comiencen a colapsar, calentarse y expandirse una vez más para alcanzar un equilibrio entre tamaño y temperatura.

La tecnología más común utilizada para crear este tipo de fusión en la Tierra son los láseres de alta potencia, aunque también se han utilizado aceleradores de partículas. investigar este proceso,

Fusión catalizada por muones

Este proceso es capaz de crear fusión a temperaturas mucho más bajas e implica sustituir los electrones por muones que normalmente rodean el núcleo de un átomo de combustible. Los muones son partículas subatómicas cargadas negativamente que son similares a los electrones pero mucho menos estables.

Estos muones se pueden crear y luego inyectar inmediatamente en una mezcla de deuterio y tritio, donde se pueden unir con un deuterón o un tritón, formando un átomo de D+-μ o T+-μ. Este átomo se encuentra ahora en un estado excitado, lo que permite que el muón se transfiera entre deuterones y tritones, o viceversa. Los muones también pueden unirse con deuterones y tritones al mismo tiempo, formando una molécula muónica (D+-μ-T+). Estas moléculas muónicas crean la fusión entre las partículas de deuterón y tritón, liberando energía y permitiendo que el muón avance y se una a más deuterones y tritones.

Sin embargo, este proceso es complejo y necesita una serie de procesos atómicos, moleculares y nucleares antes de que el muón se desintegre. Generar los propios muones también requiere energía (alrededor de cinco mil millones de voltios por muón), por lo que crear suficiente energía para compensar la energía gastada en la creación de la fusión es un desafío, que requiere al menos 300 reacciones de fusión DT dentro de la vida media de cada muón.

Fusión en frío

La fusión fría se anunció por primera vez en 1989, cuando dos químicos afirmaron que habían creado reacciones de fusión a temperatura ambiente usando celdas electrolíticas que contenían agua pesada (óxido de deuterio, D2O) y varillas de paladio que absorbían el deuterio del agua pesada. Sin embargo, no ha habido una explicación teórica para respaldar las afirmaciones y los esfuerzos globales para reproducir posteriormente la fusión fría fracasaron.

Fusión de burbujas

En 2002, los científicos afirmaron que crearon reacciones de fusión durante los experimentos de cavitación acústica que involucraban acetona fría que se bombardeaba con deuterio (deuterado). Esto utilizó una técnica llamada sonoluminiscencia, donde una burbuja de gas se implosiona con ondas sonoras de alta presión.

A medida que estas burbujas implosionan, se crean las condiciones para una alta densidad y temperatura, lo que conduce a la emisión de luz. Los científicos dijeron que habían usado burbujas más grandes, de tamaño milimétrico, que habían sido deuteradas en un líquido de acetona para crear densidades y temperaturas y que eran capaces de inducir reacciones de fusión antes de que las burbujas se rompieran.

Sin embargo, al igual que con la fusión en frío, los intentos posteriores de replicar los resultados han fallado.

Desarrollo futuro de la tecnología de fusión nuclear

La investigación sobre fusión nuclear se ha llevado a cabo en más de 50 países durante las últimas décadas con diferentes niveles de éxito.

El futuro del desarrollo de la tecnología de fusión y la aceleración del despliegue de la fusión nuclear como fuente de energía viable depende de la colaboración mundial. Las tecnologías emergentes deben desarrollarse, validarse y calificarse junto con el desarrollo de infraestructura y estándares de apoyo.

Actualmente, los experimentos a plena potencia están programados para comenzar en el proyecto ITER en Francia en 2036, con una fecha de 2050 para la realización de una planta de energía de fusión productora de electricidad operativa.

Junto con la investigación dirigida por el gobierno, también hay un número creciente de empresas comerciales con fondos privados que aprovechan y amplían las décadas de investigación en fusión financiada con fondos públicos. Estas organizaciones de financiación privada apuntan a una fecha anterior a 2050 para la primera planta de energía nuclear de fusión operativa.

Sobre el autor

Jacinto Ismael Espejo Pereira

Soy un apasionado de la historia y un experto en mi campo.

Me gradué con una licenciatura en Historia en 2001 de la Universidad de Los Andes, donde desarrollé una solida comprensión de los acontecimientos y las tendencias históricas que han moldeado el mundo en el que vivimos.

Además, amplié mis conocimientos con un magíster scientiae en Lingüística obtenido en 2003, lo que me brindó una perspectiva única y profunda en el estudio de las lenguas y la comunicación humana.

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