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En física nuclear, fusión nuclear es el proceso

por

el

cual

varios

núcleos

atómicos de carga similar se unen y forman

un

núcleo

más

pesado.

Simultáneamente se libera o absorbe una cantidad enorme de energía, que permite a

la

materia

entrar

en

un

estado

plasmático. Al fusión de dos núcleos de menor masa que el hierro (en este elemento y en el níquel ocurre la mayor energía de enlace por nucleón) libera energía en general. Por el contrario, la fusión de núcleos más pesados que el hierro absorbe energía. En el proceso inverso, la fisión nuclear, estos fenómenos suceden en sentidos opuestos. En el caso más simple de fusión, en el 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. En la naturaleza ocurre fusión nuclear en las estrellas, incluido el sol. En su interior las temperaturas son cercanas a 15 millones de grados Celsius.1 Por ello a las reacciones de fusión se les denomina termonucleares. En varias empresas se ha logrado también la fusión (artificial), aunque todavía no ha sido totalmente controlada.


Sobre la base de los experimentos de transmutación nuclear de Ernest Rutherford, conducidos pocos años antes, Mark Oliphant, en 1932, observó por vez primera la fusión de núcleos ligeros (isótopos de hidrógeno). Posteriormente, durante el resto de ese decenio, Hans Bethe estudió las etapas del ciclo principal de la fusión nuclear en las estrellas. La investigación acerca de la fusión para fines militares se inició en los años 40 del siglo XX como parte del Proyecto Manhattan, pero no tuvo buen éxito hasta 1952. La indagación relativa a fusión controlada con fines civiles se inició en el decenio siguiente, los 50, y continúa hasta la fecha. La única central que utiliza la energía nuclear de fusión se encuentra en Karthzreich en Suiza aunque se considera de dominio europeo para investigación.

REQUISITOS PARA QUE EXISTA UNA FUSIÓN NUCLEAR

Para que pueda ocurrir la

fusión

superarse

debe una

importante barrera de energía producida por la electrostática.

fuerza A

grandes distancias, dos núcleos se repelen debido a la fuerza de repulsión electrostática entre sus protones, cargados positivamente.


Sin embargo, si se puede acercar dos núcleos lo suficiente, debido a la interacción nuclear fuerte, que en distancias cortas es mayor, se puede superar la repulsión electrostática. Cuando un nucleón (protón o neutrón) se añade a un núcleo, la fuerza nuclear atrae a otros nucleones, pero -debido al corto alcance de esta fuerza- principalmente a sus vecinos inmediatos. Los nucleones del interior de un núcleo tienen más vecinos nucleones que los existentes en la superficie. Ya que la relación entre área de superficie y volumen de los núcleos menores es mayor, por lo general la energía de enlace por nucleón debido a la fuerza nuclear aumenta según el tamaño del núcleo, pero se aproxima a un valor límite correspondiente al de un núcleo cuyo diámetro equivalga al de casi cuatro nucleones. Por otra parte, la fuerza electrostática es inversa al cuadrado de la distancia. Así, a un protón añadido a un núcleo le afectará una repulsión electrostática de todos los otros protones. Por tanto, debido a la fuerza electrostática, cuando los núcleos se hacen más grandes, la energía electrostática por nucleón aumenta sin límite. En distancias cortas la interacción nuclear fuerte (atracción) es mayor que la fuerza electrostática (repulsión). Así, la mayor dificultad técnica para la fusión es conseguir que los núcleos se acerquen lo suficiente para que ocurra este fenómeno. Las distancias no están a escala.. El resultado neto de estas fuerzas opuestas es que generalmente la energía de enlace por nucleón aumenta según el tamaño del


núcleo, hasta llegar a los elementos hierro y níquel, y un posterior descenso en los núcleos más pesados. Finalmente la energía de enlace se convierte en negativa, y los núcleos más pesados (con más de 208 nucleones, correspondientes a un diámetro de alrededor de seis nucleones) no son estables. Cuatro núcleos muy estrechamente unidos, en orden decreciente de energía de enlace, son 62Ni, 58Fe, 56Fe, y 60Ni.2 A pesar de que el isótopo de níquel 62Ni es más estable, el isótopo de hierro 56Fe es una orden de magnitud más común. Esto se debe a mayor tasa de desintegración de 62Ni en el interior de las estrellas, impulsada por absorción de fotones. Una notable excepción a esta tendencia general es el núcleo helio 4He, cuya energía de enlace es mayor que la del litio, el siguiente elemento por incremento de peso. En el principio de exclusión de Pauli se proporciona una explicación a esta excepción: debido a que los protones y los neutrones son fermiones, no pueden existir en el mismo estado. A causa de que el núcleo del 4He está integrado por dos protones y dos neutrones, de modo que sus cuatro nucleones pueden estar en el estado fundamental, su energía de enlace es anormalmente grande. Cualquier nucleón adicional tendría que ubicarse en estados de energía superiores. Tres ventajas de la fusión nuclear son: a) en gran parte sus desechos no revisten la problemática de los provenientes de fisión; b)abundancia -y buen precio- de materias primas, principalmente del isótopo de hidrógeno deuterio (D); c) si una instalación dejara


de funcionar se apagaría inmediatamente, sin peligro de fusión no nuclear. En un diseño prometedor, para iniciar la reacción, varios rayos láser de alta potencia transfieren energía a una pastilla de combustible pequeña, que se calienta y se genera una implosión: desde todos los puntos se colapsa y se comprime hasta un volumen mínimo, lo cual provoca la fusión nuclear.

CONFINAMIENTO ELECTROSTÁTICO ESTABLE PARA FUSIÓN NUCLEAR

Como se puede apreciar en el dibujo de arriba, se basa en circunscripción total de iones de

hidrógeno,

confinados

electrostáticamente. Los

beneficios

de

este

confinamiento son múltiples: El grosor de la esfera de cobre anula la inestabilidad causada por errores de simetría. La ionización del hidrógeno se genera fácilmente por el campo eléctrico que absorbe los electrones sin disminuir la intensidad de ese campo. Se puede obtener un campo eléctrico intenso, lo cual evitaría fuga de los iones de hidrógeno.


La energía necesaria es menor que la consumida por un reactor de fusión que genere un campo electromagnético para confinar los iones. La fusión nuclear se logra por medio de compresión-descompresión, aumentando o disminuyendo la intensidad del campo eléctrico. Para ello se aumenta o se disminuye la velocidad del generador de electricidad. Como moderador de neutrones se puede utilizar plomo, aunque habría que probar su eficacia.


FUSIO NUCLEAR