La fusión nuclear es el motor que impulsa las estrellas, entonces, ¿cómo funciona un reactor de fusión artificial?
Antes de hablar de la fusión nuclear, hablemos de la fisión. A diferencia de la fusión nuclear, la fisión nuclear es un proceso que divide átomos. Cuando los átomos se dividen, ya sea mediante desintegración radiactiva (radiactividad) o una reacción nuclear en cadena (bomba nuclear), se liberan grandes cantidades de energía y radiación ionizante. Las centrales nucleares utilizan esta fisión para proporcionar electricidad al 11% de la población mundial.
La fusión es el proceso por el cual dos o más átomos se combinan para crear algo nuevo. Cuando esto sucede entre dos núcleos atómicos con masas inferiores a la del hierro, el proceso genera una gran cantidad de energía. Cuando el núcleo de un átomo se combina con una masa más pesada que el hierro, en realidad consume energía. Esto último es una sentencia de muerte para una estrella. Cuando una estrella comienza a fusionar hierro en su núcleo, se convierte en una supernova.
Por ahora sólo se hablará del primero, que fusiona núcleos atómicos más ligeros que pueden producir energía. Estos núcleos más ligeros pueden comportarse de forma contraria a la intuición. Cuando intentamos unir dos cosas, se necesita esfuerzo y energía. Cuando intentamos fusionar átomos, cuando los átomos están lo suficientemente cerca, en realidad quieren permanecer juntos. Cuando dos átomos se unen y se fusionan formando algo nuevo, liberan mucha energía.
Después de la fusión nuclear, en realidad se necesita un poco de energía para mantenerlos fusionados. Desafortunadamente, debido a que los átomos de hidrógeno tienen la misma carga, se repelen cuando están cerca uno del otro. Es un poco como el minigolf: si quieres meter la pelota en un hoyo en una pendiente pronunciada, se necesita un poco de esfuerzo para acercar la pelota al hoyo. Pero una vez que la bola pasa por el borde del hoyo, inmediatamente se hunde y rebota en su lugar, y "vuelve a casa". Esto se debe a la fuerza nuclear fuerte, que mantiene a los átomos "pegados entre sí".
Los átomos más grandes y pesados funcionan de manera ligeramente diferente. Apenas permanecen juntos, y la más mínima perturbación puede hacer que colapsen, provocando una liberación de energía. Esto es lo que llamamos radiactividad. Este efecto se utiliza para calentar agua y formar vapor, que puede impulsar turbinas y generar electricidad para plantas de energía nuclear.
La investigación sobre la fusión nuclear lleva décadas realizándose. Aunque el progreso ha sido lento, en los últimos años se han logrado algunos avances interesantes. Si bien hay casi una docena de formas de lograr la fusión nuclear, actualmente hay dos diseños que lideran el camino y tienen mayores posibilidades de éxito. Son fusión por confinamiento inercial y fusión por confinamiento magnético.
Fusión por confinamiento inercial
Un término común utilizado para describir la fusión por confinamiento inercial se llama fusión láser. Esta es una verdadera descripción porque esa es su esencia. Docenas de los láseres más potentes del mundo se excitan, luego se amplifican en el sistema y luego se enfocan en un objetivo pequeño. El objetivo suele ser una pastilla de deuterio-tritio (10 mg). El láser golpea con tanta fuerza, velocidad y energía que comprime y calienta instantáneamente las partículas antes de que tengan tiempo de romperse por sí solas mediante métodos tradicionales. Este proceso ocurre tan rápido (entre 10 (-11) y 1010 (-9) segundos) que los iones quedan atrapados por su propia inercia, de ahí el nombre de fusión por confinamiento inercial.
Una vez que la pastilla de deuterio-tritio alcanza una determinada presión y temperatura, se "encenderá". La "ignición" es el proceso por el cual las bolas inician una reacción en cadena que hace que el material se derrita, produciendo así grandes cantidades de energía. Una pastilla de 10 mg de deuterio-tritio logra la fusión, lo que equivale a quemar un barril entero de petróleo.
Las perlas en sí son una mezcla uno a uno de deuterio y tritio, ambos isótopos de hidrógeno. El suministro global de deuterio es efectivamente ilimitado. Puede destilarse de diversas formas de agua y contiene 33 miligramos de deuterio por litro de agua de mar. El tritio, por otro lado, es muy difícil de conseguir. Es un elemento de hidrógeno que se descompone rápidamente y es extremadamente raro en la naturaleza. El suministro mundial de tritio es de aproximadamente 45 libras. Afortunadamente, se puede producir durante la fusión nuclear. Cuando un neutrón golpea el litio en las paredes de revestimiento de un reactor de fusión, se "propaga". Cualquier plan futuro para reactores de fusión ICF comerciales a gran escala debe incluir el cultivo de su propio tritio.
Aunque la fusión láser experimental puede "encenderse", el problema es que se obtiene más energía de la que se introduce.
Los láseres requieren una potencia considerable, pero para la Instalación Nacional de Ignición (NIF) de California, necesitarían aumentar la producción 65.438+000 veces para alcanzar el punto de equilibrio. Otro problema es la propia bola; si el láser golpea la bola, ésta no se comprime ni se calienta uniformemente, no sólo existe el riesgo de reducir significativamente la ganancia de energía, sino que no hay posibilidad de "ignición" en absoluto.
Fusión magnetorresistiva
La fusión por confinamiento magnético es más exótica que la condensación láser. El proceso de fusión utiliza fuertes campos magnéticos para exprimir, calentar y controlar el plasma sobrecalentado. El plasma se hace circular en un reactor de bucle donde métodos adicionales de calentamiento del plasma también contribuyen al calentamiento del plasma. La corriente eléctrica también fluye a través del plasma y, en algunos casos, se producen microondas, inyección de haz neutro y calentamiento por radiofrecuencia. El objetivo es calentar el plasma lo más posible para desencadenar la fusión, y la temperatura debe alcanzar o superar los 65,438+50 millones de grados Celsius.
Entre estos dos tipos de sistemas de fusión, el confinamiento magnético se considera una tecnología relativamente madura y puede ser la primera tecnología en lograr una ganancia neta de energía a partir de la fusión nuclear. Sin embargo, no está exento de desafíos. Para alcanzar las temperaturas necesarias para una fusión autosostenida, el plasma debe controlarse con precisión. Este es un problema técnico porque el plasma sobrecalentado es difícil de controlar. Tratar de controlarlo es como sostener agua en la palma de la mano y darle forma. El agua se escapa de tu mano o inmediatamente se deforma formando un charco desordenado. Mantener el plasma donde se desea, cómo usarlo y evitar que entre en contacto con las paredes del reactor es uno de los mayores desafíos que enfrentan los físicos.
Las impurezas del plasma y las inestabilidades de la corriente eléctrica o del campo magnético también pueden interferir con el objeto, impidiendo la fusión. Las paredes de los reactores de fusión también corren el riesgo de resultar dañadas por los neutrones. La fusión hace que los neutrones bombardeen las paredes del reactor y hace que el metal se debilite, se vuelva quebradizo y eventualmente se pudra. Esto es bueno para la "cría" de tritio, pero malo para las ya frágiles paredes del reactor.
Como comentábamos al principio de este artículo, la fusión tiene el potencial de proporcionarnos energía prácticamente ilimitada. Sin embargo, los beneficios no terminan ahí. Además de la producción de energía, para alimentar el reactor se necesitan cantidades muy pequeñas de combustible, que puede destilarse del agua de mar. Los reactores de fusión también producen menos radiación que la radiación natural de fondo que experimentamos mientras vivimos en la Tierra.
Casi el 70% de la energía mundial proviene de la quema de carbón, petróleo y gas natural. Dado que la fusión nuclear no implica combustión, todas las fuentes de aire contaminado y desechos desaparecerían casi de la noche a la mañana. Aunque los reactores de fusión generan algunos desechos nucleares, son minúsculos en comparación con los desechos producidos por un reactor de fisión típico durante su vida útil. Los desechos de alto riesgo producidos por la fusión nuclear no son materiales avanzados ni aptos para armas. La fusión nuclear produce sólo pequeñas cantidades de residuos radiactivos y sólo permanece peligrosamente radiactiva durante unos 50 años, por lo que los problemas de eliminación son menos preocupantes. Tampoco hay riesgo de que una fusión provoque la liberación de explosiones radiactivas (como Chernobyl). Esto se debe a que la fusión utiliza una cantidad tan pequeña de combustible que una reacción descontrolada es imposible. El combustible se quema antes de otras operaciones.
Otra ventaja de las capacidades de fusión nuclear es que pueden utilizarse para viajes espaciales interestelares.
Se especula que la fusión fría es una reacción nuclear que puede ocurrir cerca de la temperatura ambiente. En las últimas décadas, un puñado de personas han afirmado haber logrado la "fusión fría", pero hasta ahora nadie ha podido recrearla en sus propios laboratorios con su propio equipo. Una de las razones por las que la fusión fría es tan improbable es la barrera de Coulomb. En los núcleos de las estrellas y en nuestros reactores de fusión experimentales, este obstáculo puede superarse fácilmente debido a las enormes cantidades de calor y presión que se ejercen. Sin estos entornos extremos, la fusión nuclear continua sería imposible.
Para librarse del estigma negativo de este término, quienes continúan estudiando este campo de la fusión prefieren utilizar el término "reacción nuclear de baja energía" (jerga LENR). Actualmente las máquinas de fusión fría y de movimiento perpetuo pertenecen al mismo tipo de ciencia. Douglas R.O. Morrison, físico del CERN, considera que la fusión fría es un ejemplo de ciencia patológica. El término fue acuñado por el premio Nobel Irving Langmuir en 1953. Usó el término ciencia patológica para describir un campo de investigación en el que la mayoría de los científicos no "desaparecen" mucho después de haber abandonado, y algunos persisten en la investigación.