Fusión nuclear

     En el proceso de fusión nuclear se libera energía cuando los núcleos ligeros se fusionan o combinan y es opuesto al proceso de fisión nuclear (se libera energía cuando se dividen los núcleos pesados). Después de que ocurre la fusión nuclear, la masa total de los núcleos ligeros formados por el proceso de fusión es menor que la masa total de los núcleos que se fusionaron.

     Como los núcleos atómicos tienen carga positiva, normalmente, para que se produzca la fusión nuclear es necesario que los núcleos choquen con una rapidez muy grande para poder vencer la repulsión eléctrica. La rapidez que se requiere corresponde a temperaturas extremadamente altas como las que se presentan en el centro del Sol y otras estrellas. Al proceso de fusión nuclear que se lleva a cabo a temperaturas muy altas se le llama fusión termonuclear, porque la combinación de los núcleos atómicos ocurre a altas temperaturas.

     Para explicar la liberación de energía por el Sol y otras estrellas se ha propuesto el siguiente mecanismo para las reacciones de fusión nuclear en las que el hidrógeno se transforma en helio con la liberación de energía:

 1)   ₁¹H   +   ₁¹H   ---->   ₁²H  +  ₁⁰e

2)   ₁²H   +   ₁¹H   ---->   ₂³He 

3)   ₂³He   +   ₁¹H   ---->   ₂⁴H  +  ₁⁰e

4)  4(₁¹H )  ®   ₂⁴He  +   2(₁⁰e )     DE = - 6.0x10⁸ kJ/g de reactivo.

     La masa total de dos protones y dos neutrones es mayor cuando están libres que cuando están combinados en un núcleo de helio. Cuando se unen la masa disminuye porque se libera energía.

     Se estima que, en la región central del Sol ocurren reacciones de combustión nuclear y que cada segundo se transforman 657x10⁶ toneladas de hidrógeno en 653x10⁶ toneladas de helio más 4x10⁶ toneladas de energía radiante que se desprende.

     En la combustión química ordinaria se requiere de una energía de activación y el resultado neto de la reacción química es la combinación de átomos formando moléculas unidas con mayor fuerza. La fusión termonuclear es semejante a la combustión química, se requiere de energía para iniciar la reacción y la energía que se desprende mantiene la temperatura para que continúe la reacción termonuclear y el resultado neto son los núcleos unidos con mayor fuerza.

     Los isótopos muy ligeros, como el hidrógeno, son inestables en relación a los isótopos pesados que resultan de su fusión.

     Como fuente de energía, los procesos de fusión nuclear tienen varias ventajas sobre los procesos de fisión nuclear como el que la fusión nuclear se considera un proceso “limpio” porque sus productos son isótopos limpios, por ejemplo, el ₂⁴He, y en la fisión nuclear se producen isótopos radiactivos ocasionales. Los isótopos ligeros adecuados para realizar la fusión nuclear son más abundantes que los isótopos pesados que se necesitan para producir la fisión nuclear.

     La desventaja de los procesos de fusión nuclear es que requieren una energía de activación muy elevada en comparación con la fisión nuclear inducida por neutrones. Para superar la repulsión electrostática existente entre los núcleos de deuterio y lograr que reaccionen se requiere acelerarlos a velocidades del orden de 10⁶ m/s, que equivale a unas 10 000 veces más grandes que las de las moléculas en condiciones normales. Se estima mediante las ecuaciones de la teoría cinética que la temperatura requerida para que ocurra la fusión nuclear es del orden de 10^{9 o}C. Con la bomba de hidrógeno se alcanzaron temperaturas de ese orden, usando una reacción de fisión como iniciador de la fusión nuclear.

     Las reacciones de fusión nuclear que utilizan deuterio y litio como material básico, necesita una energía de activación más baja que las otras reacciones de fusión nuclear (se utilizan “botellas magnéticas” para almacenar los núcleos reaccionantes) y se representan con las 3 ecuaciones nucleares:

 1)   ₁²H   +   ₁³H   ---->   ₂⁴He  +  ₀¹n

 2)   ₃⁶Li   +   ₀¹n   ---->   ₂⁴He  +  ₁³H

 3)   ₁²H   +   ₃⁶Li   ---->  2 ( ₂⁴He )  Resulta de la suma algebraica de las ecuaciones 1 y 2.

 
    Este proceso es atractivo porque requiere una energía de activación más baja que otras reacciones de fusión nuclear.

     Para generar electricidad mediante reacciones de fusión nuclear es necesario fabricar equipo especial que pueda mantener temperaturas muy elevadas durante un tiempo grande para que se produzca la fusión nuclear y producir la energía. En el equipo convencional, los núcleos de los reactivos perderían rápidamente su elevada energía cinética debido a los choques contra las paredes del recipiente que los contenga.

     La energía que se puede obtener por fusión nuclear es considerablemente mayor que la que se obtiene por fisión nuclear de la misma masa de un elemento químico pesado.

     Se está progresando mucho en el conocimiento de la fusión nuclear pero falta mucho camino por recorrer.

 Control de la fusión nuclear.

     Para producir las reacciones de fusión nuclear en condiciones controladas se requieren temperaturas del orden de varios millones de grados centígrados, pero todos los materiales se funden y se evaporan a las temperaturas requeridas para realizar la fusión nuclear. La solución a este problema es el uso de un recipiente no material, es decir, un campo magnético que a cualquier temperatura puede ejercer fuerzas sobre las partículas en movimiento. Unas “paredes magnéticas” con campos de suficiente intensidad para contener gases ionizados calientes llamados plasma. La compresión magnética incrementa todavía más la temperatura del plasma hasta lograr la temperatura suficiente para que ocurra la fusión nuclear.

    Para que ocurra la fusión nuclear se necesita que los núcleos se muevan con la rapidez suficiente para vencer la repulsión eléctrica y al chocar se puedan quedar unidos. Esto ocurre a temperaturas de cerca de 350 millones de grados centígrados, entonces las reacciones de fusión nuclear producen suficiente energía para autosustentarse. A esta temperatura de ignición, la combustión nuclear genera energía a un ritmo suficiente para mantenerse sin que se agregue más energía. Para producir energía de manera continua sólo se requiere la alimentación continua de más núcleos.

     Como no se ha conseguido producir de manera continua las reacciones de fusión nuclear, se sigue investigando para construir un dispositivo de confinamiento magnético que resuelva el problema. Se necesita idear un sistema de campos que pueda mantener el plasma en condiciones constantes mientras ocurre la fusión de un gran número de núcleos.

     Otro método promisorio es el uso de laceres de alta energía, consiste en dirigir un conjunto de rayos láser hacia un punto común y dejar caer de manera sincronizada en este fuego cruzado unas pastillas sólidas de hidrógeno.

     La producción de energía por fusión nuclear es casi ideal porque no requiere de una masa crítica, no contamina (su único producto termonuclear es el helio). Aunque los productos secundarios de la fusión nuclear no son radiactivos, sí produce una radiactividad en la cámara interior del dispositivo de la fusión de los núcleos debido a los neutrones de alta energía. Se considera que la eliminación de los residuos radiactivos no son un problema de consideración.

     El combustible para la fusión nuclear son el deuterio (H-2) y el tritio (H-3). La reacción termonuclear que se lleva a cabo con más facilidad es la de un núcleo de deuterio y uno de tritio. Ambos isótopos se encuentran en el agua ordinaria, por ejemplo, 30 litros de agua de mar contienen 1 g de deuterio, el que en la fusión nuclear, libera una cantidad de energía equivalente a la que liberan 10 000 litros de gasolina o el equivalente a 80 toneladas de TNT (trinitrotolueno).

     El tritio es escaso en la naturaleza, pero se puede producir en un reactor de fisión nuclear mediante una reacción termonuclear controlada a partir de deuterio. Debido a la abundancia del combustible de fusión nuclear, la cantidad de energía que puede liberarse de manera controlada es prácticamente ilimitada. Pero el desarrollo de la producción de energía por fusión nuclear ha sido lento y difícil, sin embargo, se considera que los retos científicos y de ingeniería que implica se resolverán y será una fuente primaria de producción de energía para las futuras generaciones.

     Las reacciones de fusión nuclear de isótopos de hidrógeno que se usarán para la generación de energía termonuclear son:

 1)   ₁²H   +   ₁²H   ---->   ₂³He  +  ₀¹n

2)   ₁²H   +   ₁³H   ---->   ₂⁴He  +  ₀¹n

     Las partículas ligeras, protones y neutrones, que son expulsadas con gran rapidez durante la reacción transportan la mayor parte de la energía que se libera.