Últimamente la fusión nuclear es un tema que está en todas partes debido a ciertos descubrimientos que nos acercan a un mundo en el que existe la posibilidad de contar con energía gratuita e infinita.
La fusión nuclear es el proceso por el cual dos átomos chocan y se fusionan formando otro elemento. El proceso requiere temperaturas de hasta 15 millones de grados centígrados. Para poner eso en perspectiva, la superficie del sol es de 5,505 grados C. La temperatura central del sol también es de alrededor de 15 millones de grados C, mientras que la corona, la parte exterior, es de más de un millón de grados Celsius.
Comúnmente la fusión nuclear se ve cuando los átomos de hidrógeno se combinan para formar un átomo de helio, pero también es posible para otros elementos periódicos. Durante esta reacción de fusión se liberan enormes cantidades de energía y este proceso alimenta al sol y otras estrellas.
Sin embargo, para que la reacción ocurra, en primer lugar, se necesitan grandes cantidades de energía dentro del sistema para que los átomos choquen. Básicamente, esto significa que debe estar muy, muy caliente.
“En el experimento de fusión en la Instalación Nacional de Ignición [NIF, por sus siglas en inglés], se informó que alcanzó los 3 millones Celsius”, dijo a Newsweek Carolyn Kuranz, directora del Centro de Astrofísica de Laboratorio de la Universidad de Michigan y profesora en Ingeniería Nuclear y Ciencias Radiológicas y Física Aplicada.
Otros experimentos de fusión nuclear han alcanzado temperaturas de hasta más de 100 millones de Kelvin, o casi 100 millones de grados centígrados. La mayor parte de la fusión ocurre en el núcleo del sol (15 millones de grados C).
¿DÓNDE SE PUEDE HALLAR LA FUSIÓN NUCLEAR?
“En la naturaleza, la fusión solo ocurre en los núcleos de las estrellas”, dijo Kuranz. “En realidad, en las estrellas, es el peso de la estrella lo que confina gravitacionalmente el material hasta que se fusiona y libera energía, que es la luz que vemos o el calor que sentimos del sol”.
Además de dentro de las estrellas, la fusión nuclear se está perfeccionando lentamente en la Tierra, con varios grupos de investigación en todo el mundo que trabajan en formas de utilizar esta reacción para producir grandes cantidades de energía para usar como electricidad.
La fusión nuclear ocurre dentro del núcleo de las estrellas porque esa es la región con la temperatura más alta. Para que comience la fusión, el núcleo de una estrella debe alcanzar los 15 millones de grados Celsius. Esto es para que los núcleos de los átomos de hidrógeno tengan suficiente energía para que cuando colisionen, en lugar de repelerse, se fusionen para formar helio.
¿CÓMO SE INICIA EL PROCESO?
“La temperatura [para que ocurra la fusión] puede variar dependiendo de muchos parámetros, pero debe ser caliente”, dijo, y agregó que lo que se llama fusión “fría” es en su mayor parte ciencia ficción.
Una vez alcanzada esta temperatura, se superará la repulsión electrostática de los protones cargados positivamente en los núcleos atómicos, permitiendo que se fusione el plasma de los núcleos de hidrógeno.
Simple and lucid explanation of nuclear fusion by @bbc. pic.twitter.com/vcWss4B3u5
— Andrei Yudin (@andrei_yudin) February 9, 2022
En el espacio, esto se logra cuando las nubes de gas caliente caen juntas debido a la gravedad y comienzan a girar, calentando el gas. A lo largo de millones de años, la nube giratoria atrae más hidrógeno gaseoso, y el centro se calienta cada vez más.
Una vez que la temperatura cruza el punto crucial de 15 millones oC, comienza la fusión y la nube de gas se convierte en una protoestrella. A medida que esta protoestrella continúa acumulando masa de la nube de gas, se hace más grande, antes de estabilizarse y finalmente convertirse en una estrella de secuencia principal como nuestro sol.
En la Tierra usamos láseres como fuente de energía. En diciembre de 2022, el NIF, que se encuentra en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, en California, anunció que había logrado una “ganancia de energía neta” por primera vez. Esto significa que la cantidad de energía que se generaba por medio de la fusión en realidad era mayor que la cantidad de energía que se usó con los láseres.
¿QUÉ TEMPERATURA SE NECESITA?
Mientras que las estrellas necesitan una temperatura de 15 millones de grados Celsius para comenzar la fusión, la temperatura requerida en los laboratorios de la Tierra es mucho más alta.
“En nuestros dispositivos de fusión de confinamiento magnético… el plasma está confinado por imanes a una presión más baja, por lo que necesitamos una temperatura más alta, más de 100 millones de grados Kelvin en la Tierra, en comparación con 15 millones oK en el sol”, dijo a Newsweek Tom Berry, un analista de radiación nuclear de la Autoridad de Energía Atómica del Reino Unido.
“La fusión se inicia calentando el plasma, principalmente con una corriente inicial alta a través del solenoide central, el imán en el centro del anillo, pero también con otros dispositivos de calentamiento”, añadió Berry.
En el NIF, los investigadores obtienen presiones mucho más altas, durante periodos mucho más cortos, lo que significa que sus requisitos de temperatura son más bajos (solo alrededor de 2.7 millones de grados C) que en proyectos de fusión por confinamiento magnético como el Joint European Torus (JET) en el Reino Unido, o el International Thermonuclear Reactor Experimental (ITER) en Francia. Esto se debe a que los experimentos del NIF utilizan una forma diferente de lograr la fusión, llamada confinamiento inercial.
“Para cualquier enfoque de fusión, la condición clave es mantener el combustible caliente en contacto durante un tiempo suficientemente largo”, mencionó Gianluca Gregori, profesor de Física en la Universidad de Oxford.
COMPRIMIR EL COMBUSTIBLE
Continuó: “En el enfoque de fusión por confinamiento inercial, la idea es comprimir el combustible a densidades enormes, de modo que el tiempo de confinamiento sea corto, específicamente más corto que el tiempo que tarda el combustible en desintegrarse.
“Este es el enfoque de fusión que se utilizó en la Instalación Nacional de Ignición el mes pasado. Requiere la compresión mil veces mayor de la materia, a densidades y temperaturas ultraaltas, para imitar el efecto de compresión de la gravedad en el sol, el reactor de fusión nuclear más efectivo de la naturaleza”, añadió.
Gregori dijo que, “al irradiar e implosionar una pequeña capa esférica que contiene isótopos de hidrógeno (deuterio y tritio) en el laboratorio, la propia inercia del combustible… permite que una fracción suficiente de los pares de isótopos se fusionen en un núcleo de helio durante la compresión y el estancamiento, antes de que el combustible finalmente se expanda debido a la presión cada vez más alta”.
Cuando dos núcleos de hidrógeno están cerca, incluso durante este breve periodo, dijo Gregori, “la fuerza nuclear de atracción, fuerte pero de corto alcance, domina la tendencia de las cargas similares a repelerse, lo que permite que los núcleos se fusionen”.
En JET e ITER, donde se utiliza la fusión por confinamiento magnético, “este esquema adopta la ruta opuesta. Intenta que el combustible sea mucho menos denso, pero luego necesita confinarlo durante mucho más tiempo”, dijo Gregori.
VENTAJAS Y DESVENTAJAS
“Ambos enfoques tienen ventajas y desventajas”, continuó. “En el caso del confinamiento inercial, el principal desafío es que la compresión del combustible es susceptible a las inestabilidades del fluido… El combustible puede salir disparado en todas las direcciones y el estado comprimido final no es suficiente para lograr la fusión.
“En la fusión por confinamiento magnético, por otro lado, si bien la creación de un combustible de menor densidad es mucho más simple, es difícil mantenerlo durante los tiempos requeridos”, explicó Gregori. “De ahí la necesidad de geometrías de campo magnético complejas. Ambos enfoques han logrado progresar de forma significativa en las últimas décadas, y también han comenzado a surgir esquemas híbridos”.
Si bien el uso de la fusión nuclear para proveer energía a nuestras vidas aún está muy lejos, cada año nos acercamos más. “Todavía estamos un poco lejos de que la energía de fusión práctica sea parte de la red eléctrica”, indicó a Newsweek con anterioridad Nathan Garland, profesor de Matemáticas Aplicadas y Física en la Universidad Griffith de Australia.
Continuó: “A medida que construimos mejores imanes, láseres más grandes, materiales más fuertes para soportar las inmensas temperaturas y energías requeridas para contener estos plasmas de fusión, en tratar de embotellar el núcleo de nuestro sol, por decirlo de alguna manera, nos acercaremos a nuestro objetivo final de generar suficiente energía de las reacciones de fusión que podamos poner a trabajar en una fuente adecuada para alimentar nuestra red eléctrica”. N
(Publicado en cooperación con Newsweek. Published in cooperation with Newsweek).
