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Fusión nuclear

Fusión nuclear
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Concepto:Reacción en la que se unen dos núcleos ligeros para formar uno más pesado. Este proceso desprende energía porque el peso del núcleo pesado es menor que la suma de los pesos de los núcleos más ligeros. En la figura se aprecia la fusión de deuterio con tritio produciendo helio-4,liberando un neutrón,y generando 17,59 MeV de energía.

Fusión nuclear. Proceso por el cual varios núcleos atómicos de carga similar se unen para formar un núcleo más pesado. Se acompaña de la liberación o absorción de una cantidad enorme de energía, que permite a la materia entrar en un estado plasmático.

La fusión nuclear es una reacción en la que se unen dos núcleos ligeros para formar uno más pesado. Este proceso desprende energía porque el peso del núcleo pesado es menor que la suma de los pesos de los núcleos más ligeros. Este defecto de masa se transforma en energía, se relaciona mediante la fórmula E=mc2 , aunque el defecto de masa es muy pequeño y la ganancia por átomo es muy pequeña, se ha de tener en cuenta que es una energía muy concentrada, en un gramo de materia hay millones de átomos, con lo que poca cantidad de combustible da mucha energía.

No todas las reacciones de fusión producen la misma energía, depende siempre de los núcleos que se unen y de lo productos de la reacción. La reacción más fácil de conseguir el la del deuterio (un protón más un neutrón) y tritio (un protón y dos neutrones) para formar helio (dos neutrones y dos protones) y un neutrón, liberando una energía de 17,6 MeV. Es una fuente de energía prácticamente inagotable, ya que el deuterio se encuentra en el agua de mar y el tritio es fácil de producir a partir del neutrón que escapa de la reacción.

Descubrimiento

La fusión de dos núcleos de menor masa que el hierro (que, junto con el níquel, tiene la mayor energía de enlace por nucleón) libera energía en general, mientras que la fusión de núcleos más pesados que el hierro absorbe energía; y viceversa para el proceso inverso, Fisión Nuclear. En el caso más simple de fusión del 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.

La fusión nuclear se produce de forma natural en las estrellas. La fusión artificial también se ha logrado en varias empresas, aunque todavía no ha sido totalmente controlada. Sobre la base de los experimentos de transmutación nuclear de Ernest Rutherford conducidos unos pocos años antes, la fusión de núcleos ligeros (isótopos de hidrógeno) fue observada por primera vez por Mark Oliphant en 1932; los pasos del ciclo principal de la fusión nuclear en las estrellas posteriormente fueron elaborados por Hans Bethe durante el resto de esa década. La investigación sobre la fusión para fines militares se inició en la década de 1940 como parte del Proyecto Manhattan, pero no tuvo éxito hasta 1952. La investigación sobre la fusión controlada con fines civiles se inició en la década de 1950, y continúa hasta hoy en día.

Tecnología

Esta reacción que se ha descrito antes es la más fácil de conseguir, pero no quiere decir que sea sencillo lograr energía de las reacciones de fusión. Para ello se deben unir los núcleos de dos átomos, el problema radica en que los núcleos de los átomos están cargados positivamente, con lo que al acercarse cada vez se repelen con más fuerza. Una posible solución sería acelerarlos en un acelerador de partículas y hacerlos chocar entre sí pero se gastaría más energía en acelerarlos que la que se obtendría con las reacciones. Para solucionar este problema se comprimen esferas de combustible mediante haces de láseres o de partículas teniendo así la llamada fusión por confinamiento inercial en la que se obtienen densidades muy elevadas, de manera que los núcleos están muy cercanos entre ellos, y por efecto túnel se fusionan dando energía.

La otra forma de producir reacciones de fusión de manera que se gane energía es calentando el combustible hasta temperaturas de millones de grados de manera que los choques entre núcleos sean por agitación térmica, aquí también se aprovecha el efecto túnel. Como al estar a tan alta temperatura el combustible se disocia en partículas con cargas positivas y negativas, éste se puede controlar mediante campos magnéticos, ésta es la fusión por confinamiento magnético.

Ventajas

Reactor de Fusión Nuclear

La fusión nuclear es un recurso energético potencial a gran escala, que puede ser muy útil para cubrir el esperado aumento de demanda de energía a nivel mundial, en el próximo siglo. Cuenta con grandes ventajas respecto a otros tipos de recursos:

  • Los combustibles primarios son baratos, abundantes, no radioactivos y repartidos geográficamente de manera uniforme (el agua de los lagos y los océanos contienehidrógeno pesado suficiente para millones de años, al ritmo actual de consumo de energía).
  • Sistema intrínsecamente seguro: el reactor sólo contiene el combustible para los diez segundos siguientes de operación. Además el medio ambiente no sufre ninguna agresión: no hay contaminación atmosférica que provoque la "lluvia ácida" o el "efecto invernadero".
  • La radiactividad de la estructura del reactor, producida por los neutrones emitidos en las reacciones de fusión, puede ser minimizada escogiendo cuidadosamente los materiales, de baja activación. Por tanto, no es preciso almacenar los elementos del reactor durante centenares y millares de años.

Estado actual

Actualmente se ha producido energía de fusión nuclear en dos máquinas distintas, el JET (Joint European Torus) de la Unión Europea en Oxfordshire, y el TFTR (Toroidal Fusion Thermonuclear Reactor) en Princeton. Los dos son dispositivos de fusión por confinamiento magnético. Se ha conseguido sólo en estas máquinas porque son las únicas que han inyectado tritio a un plasma de deuterio. El resto de máquinas funciona con plasmas de sólo deuterio o sólo hidrógeno para investigar en el comportamiento del plasma a altas temperaturas, pero sin producir fusiones.

Se ha demostrado la viabilidad científica de la producción de energía mediante fusión nuclear. El siguiente paso es construir un reactor que demuestre la viabilidad tecnológica para producir energía eléctrica a partir de la de fusión. Este reactor será ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), actualmente en fase de diseño. Para el diseño y construcción de este gran reactor se han asociado las diferentes comunidades de fusión (Rusia, Unión Europea, Japón y USA) ya que el esfuerzo tecnológico y económico no puede ser afrontado por un solo país.

Perspectivas de futuro

La investigación en fusión ha entrado en una fase en la cual la producción experimental de una potencia de fusión del orden de un gigavatio es un objetivo realizable. Para progresar en la investigación y desarrollo de reactores comerciales es importante cubrir esta etapa. La envergadura y el coste de este experimento serán similares a los de cualquier instalación con una potencia de un gigavatio; el calendario para el estudio, construcción y explotación será similar al de cualquier megaproyecto. ITER, la siguiente generación, es una experiencia piloto para Europa y sus socios en el campo de la fusión por confinamiento magnético. El espíritu comunitario alcanzado por esta investigación en Europa desde hace varias décadas, se ha transmitido al resto del planeta con la esperanza de poder contar en el próximo siglo con la fusión termonuclear como fuente de energía necesaria para la humanidad.

Fuentes