La fusión nuclear es el proceso mediante el cual los núcleos atómicos se combinan para formar un núcleo más pesado, liberando una enorme cantidad de energía en el proceso. Este es el proceso que alimenta a las estrellas, incluido nuestro sol.
Para llevar a cabo la fusión nuclear controlada en la Tierra, se requieren condiciones extremadamente específicas debido a las altas temperaturas y densidades necesarias para superar la repulsión electrostática entre los núcleos.
Los requisitos principales para lograr la fusión nuclear controlada son los siguientes:
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Temperatura alta: Se necesita alcanzar una temperatura extremadamente alta, típicamente en el rango de cientos de millones de grados Celsius. A estas temperaturas, los átomos se ionizan, formando un plasma caliente.
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Densidad y presión adecuadas: El plasma debe estar confinado y comprimido para aumentar la probabilidad de que los núcleos colisionen y se fusionen.
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Tiempo de confinamiento prolongado: La fusión nuclear requiere un tiempo suficientemente largo para que ocurra una cantidad significativa de reacciones de fusión.
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Confinamiento magnético o inercial: Existen dos enfoques principales para confinar el plasma: el confinamiento magnético y el confinamiento inercial. En el confinamiento magnético, el plasma se mantiene suspendido y contenido mediante campos magnéticos. En el confinamiento inercial, el plasma se comprime mediante ondas de choque generadas por láseres o partículas aceleradas.
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Combustible de fusión adecuado: El combustible más común para la fusión nuclear es una mezcla de isótopos de hidrógeno, como el deuterio y el tritio.
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Ausencia de contaminantes: Los materiales que entran en contacto con el plasma deben minimizarse, ya que podrían contaminar el proceso de fusión y enfriar el plasma.
Estrategias de confinamiento del plasma
Existen varias estrategias de confinamiento utilizadas en los experimentos de fusión nuclear para mantener el plasma en condiciones adecuadas para que ocurra la fusión. A continuación, se presentan algunas las dos principales estrategias:
Confinamiento magnético
El tokamak y el stellarator son dos tipos de dispositivos experimentales utilizados para investigar y lograr el confinamiento magnético del plasma. Ambos dispositivos están diseñados para confinar y calentar el plasma a las altas temperaturas necesarias para que ocurra la fusión nuclear.
El tokamak utiliza bobinas magnéticas para generar un campo magnético toroidal que confina el plasma en un anillo. El campo magnético evita que el plasma se escape y se disperse, manteniéndolo en un estado confinado y caliente.
El stellarator, a diferencia del tokamak, utiliza bobinas magnéticas más complejas para crear un campo magnético tridimensional sin necesidad de corrientes eléctricas en el plasma. Esto permite que el plasma se mantenga estable sin necesidad de corrientes de calentamiento.
Confinamiento inercial
el confinamiento inercial se enfoca en comprimir y calentar el plasma de fusión mediante ondas de choque o compresión mecánica.
El principio básico del confinamiento inercial es someter el combustible de fusión (generalmente una mezcla de isótopos de hidrógeno, como deuterio y tritio) a altas presiones y temperaturas para que los núcleos atómicos colisionen con suficiente energía cinética para superar la repulsión electrostática y fusionarse.
Hay dos enfoques principales para lograr el confinamiento inercial:
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Fusión por compresión directa: En este enfoque, una pequeña cápsula de combustible de fusión se comprime rápidamente y de manera controlada mediante ondas de choque generadas por haces de láseres de alta potencia o partículas aceleradas. La compresión del combustible aumenta la densidad y la temperatura del plasma en el núcleo de la cápsula, favoreciendo la fusión nuclear. Este concepto es conocido como "fusión inercial por confinamiento por implosión".
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Fusión por confinamiento magneto-inercial: Esta estrategia combina aspectos del confinamiento magnético y el inercial. Se utiliza un dispositivo que combina compresión inercial del plasma con confinamiento magnético para prolongar la vida útil del plasma y mejorar la eficiencia de la fusión. Un ejemplo de esto es el concepto de "fusión magneto-inercial" (MIF), que busca aprovechar lo mejor de ambos enfoques para lograr la fusión nuclear.
Reactores de investicación de la fusión nuclear
Los científicos estan trabajando con reactores de investigación para poder encontrar las fórmulas para superar las limitaciones técnicas que presenta la fusión nuclear.
Algunos de los reactores de investigación más destacados en el campo de la fusión nuclear son los siguientes:
ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor)
Es uno de los proyectos más grandes y ambiciosos en el campo de la fusión nuclear. Está ubicado en Cadarache, Francia, y es una colaboración internacional entre 35 países. ITER es un tokamak que tiene como objetivo demostrar la viabilidad científica y tecnológica de la fusión nuclear como fuente de energía sostenible y sin emisiones de carbono. Se espera que ITER alcance el punto de "ignición", en el que la energía liberada por las reacciones de fusión supera la energía necesaria para calentar y confinar el plasma.
JET (Joint European Torus)
Ubicado en el Reino Unido, el JET es el mayor tokamak en funcionamiento y ha sido un pionero en la investigación de la fusión nuclear desde su puesta en marcha en 1983. Es una colaboración entre la Unión Europea y otros países asociados. El JET ha realizado investigaciones importantes en confinamiento magnético y calentamiento del plasma.
EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak)
EAST está ubicado en China y es uno de los tokamaks más grandes y avanzados del mundo. Ha realizado investigaciones en superconductividad y tecnologías de calentamiento del plasma.
Wendelstein 7-X
Es un stellarator situado en Alemania. Se diferencia de otros stellarators por su diseño de campo magnético optimizado para mejorar el confinamiento del plasma. Wendelstein 7-X es el stellarator más grande y más avanzado en funcionamiento y ha realizado investigaciones para mejorar la estabilidad del plasma y el confinamiento magnético.
