La fusión nuclear es una reacción nuclear en la que dos núcleos de átomos ligeros se unen para formar otro núcleo más pesado. Los átomos que se utilizan son isótopos de hidrógeno (deuterio y tritio). Durante la fusión, se superan las fuerzas de repulsión electrostática entre los núcleos y se libera energía al formarse un núcleo más estable, lo cual está relacionado con las fuerzas nucleares fuertes que los mantienen unidos.
La energía emitida es tan grande que es posible que la materia entre en estado de plasma.
Las reacciones de fusión nuclear pueden emitir o absorber energía. Si los núcleos que se van a fusionar tienen menor masa que el hierro se libera energía. Por el contrario, si los núcleos atómicos que se fusionan son más pesados que el hierro la reacción nuclear absorbe energía. Este principio deriva de la curva de ataduras nucleares. La energía se libera si el producto de la reacción es más estable (mayor energía de enlace por nucleón), y esto ocurre en núcleos más ligeros que el hierro.
Por el momento, no se ha logrado todavía construir un reactor de fusión que produzca energía eléctrica neta de manera continua y rentable. Todos los proyectos actuales, como ITER, son experimentales.. Sin embargo, actualmente se está trabajando con varios proyectos - como el proyecto ITER en el sur de Francia - con el propósito de generar energía limpia mediante la energía de fusión.
Ejemplos de fusión nuclear: el Sol
Los ejemplos de fusión nuclear se pueden encontrar en diversas situaciones, tanto en la naturaleza como en aplicaciones controladas por el ser humano. Algunos ejemplos son:
- Fusión en el sol: La principal fuente de energía del Sol es la fusión nuclear. En su núcleo, los núcleos de hidrógeno se combinan para formar helio, liberando una inmensa cantidad de energía en forma de luz y calor.
- Bomba de hidrógeno: Las bombas de hidrógeno, también conocidas como bombas termonucleares, utilizan la fusión nuclear para generar explosiones extremadamente poderosas. En estas bombas, la fusión de núcleos de hidrógeno para formar helio y otros elementos pesados libera energía explosiva.
- Reactores de fusión experimental: Se han construido reactores de fusión experimental, como el Tokamak y el Stellarator, para investigar y desarrollar la fusión nuclear controlada como fuente de energía. Estos dispositivos crean condiciones similares a las del núcleo del Sol para lograr la fusión.
Requisitos de una reacción de fusión
Para efectuar las reacciones de fusión nuclear, se deben cumplir los siguientes requisitos:
- Conseguir una 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 los electrones libres y los átomos altamente ionizados se denomina plasma.
- Es necesario el confinamiento para mantener el plasma a temperatura elevada durante un mínimo de tiempo.
- La densidad del plasma debe ser suficiente para que los núcleos estén cerca unos de otros y puedan generar reacciones de fusión nuclear.
Confinamiento para la fusión nuclear
Los confinamientos convencionales que se utilizan en los reactores nucleares de fisión no son posibles debido a las altas temperaturas del plasma que deben soportar. Por este motivo, se han desarrollado dos importantes métodos de confinamiento:
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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.
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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.
Funcionamiento: Reacciones de fusión
Los elementos atómicos empleados normalmente en las reacciones fusión nuclear son el Hidrógeno y sus isótopos: el Deuterio (D) y el Tritio (T). Las reacciones de fusión más importantes son:
D + T -> 4He + n + 17,6 MeV
Fusionando un núcleo de Deuterio con un núcleo de Tritio, se forma un núcleo de helio-4 (con 2 protones y 2 neutrones) y se libera un neutrón libre junto con 17,6 MeV de energía.
D + D -> 3He + n + 3,2 MeV
Fusionando dos núcleos de Deuterio, se obtiene un núcleo de Helio formado por un neutrón y dos protones, liberando un neutrón y 3,2 MeV de energía.
D + D --> T + p + 4,03 MeV
Fusionando dos núcleos de Deuterio, se obtiene un núcleo de Tritio, un protón y 4,03 MeV de energía.
Para que tengan lugar estas reacciones debe suministrarse a los núcleos la energía cinética necesaria para que se aproximen los núcleos que se van a fusionar, venciendo así las fuerzas de repulsión electrostática. Para ello se necesita calentar el gas hasta temperaturas muy elevadas, como las que se supone que tienen lugar en el centro de las estrellas.
El requisito de cualquier reactor de fusión nuclear es confinar dicho plasma con la temperatura y densidad lo bastante elevadas y durante el tiempo justo, a fin de permitir que ocurran suficientes reacciones de fusión nuclear, evitando que se escapen las partículas, para obtener una ganancia neta de energía.
Esta ganancia energética depende de que la energía necesaria para calentar y confinar el plasma, sea menor que la energía liberada por las reacciones de fusión nuclear. En principio, por cada miligramo de deuterio-tritio se pueden obtener 335 MJ. Sin embargo, hay que tener en cuenta que la eficiencia real del sistema será menor, y que no toda esta energía puede ser recuperada útilmente.
Combustible nuclear para la fusión
Para las reacciones de fusión nuclear se necesitan núcleos ligeros. Básicamente se utilizan Deuterio y Tritio, que son dos isótopos del hidrógeno (el elemento más ligero de la tabla periódica).
1. Deuterio
El Deuterio es un isótopo estable del hidrógeno formado por un protón y un neutrón. Su abundancia en el agua es de un átomo por cada 6.500 átomos de hidrógeno. Esto supone que en el agua de mar hay una concentración de 34 gramos de deuterio por metro cúbico de agua.
El contenido energético del deuterio es tan elevado que la energía que se puede obtener del deuterio de un litro de agua de mar es equivalente a la energía que se puede obtener de 250 litros de petróleo.
Teniendo en cuenta la abundancia de deuterio en los océanos se puede considerar esta fuente de energía como prácticamente inagotable y sostenible.
2. Tritio
El otro elemento empleado en la fusión nuclear, el tritio, es el isótopo inestable o radiactivo del átomo de hidrógeno. Está compuesto por un protón y dos neutrones y se desintegra por emisión beta con relativa rapidez.
Aunque el tritio es escaso en la naturaleza, se puede generar por reacciones de captura neutrónica con los isótopos del Litio. El Litio es un material abundante en la corteza terrestre y en el agua del mar.
Proyecto de investigación de la fusión nuclear
El proyecto más avanzado en fusión nuclear por confinamiento magnético es el ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), prototipo basado en el concepto reactor Tokamak, y en el que se espera alcanzar la ignición.
Ante los buenos resultados obtenidos en el Joint European Torus (JET), en 1990 se decidió continuar el programa de fusión con una instalación mayor en la que además del reactor, pudieran probarse sus sistemas auxiliares sin generar aún electricidad. En este proyecto participan la Unión Europea, Canadá, EEUU, Japón y Rusia.
El objetivo es determinar la viabilidad técnica y económica de la fusión nuclear por confinamiento magnético para generar electricidad, como fase previa a la construcción de una instalación de demostración comercial.
En la máquina ITER no se producirá energía eléctrica, se probaran las soluciones a los problemas que necesitan ser resueltos para hacer viables los futuros reactores de fusión nuclear.