ENERGÍA NUCLEAR: EL PODER DEL ÁTOMO

LA FUSIÓN NUCLEAR EN CALIENTE (I)


Versión inglesa

Frente a la energía de fisión, que fue la primera en conocerse y dominarse (relativamente) la gran alternativa de futuro es la fusión nuclear, que resulta ser una fuente inagotable, ya que utiliza el agua, un recurso abundante, barato y limpio.

La fusión nuclear se basa en la energía que se libera de la unión entre los átomos. Concretamente en la fusión intervienen dos isótopos del hidrógeno: el tritio y el deuterio. Se utilizan estos isótopos porque para que se produzca la fusión de los átomos -su unión- es necesario que sus núcleos tengan la mínima fuerza de repulsión, y esto se logra precisamente con los átomos más ligeros, los de hidrógeno, que sólo tienen un protón en su núcleo. Baste recordar que en la fisión se requiere todo lo contrario, que los núcleos tengan la máxima repulsión posible, lo que se consigue con átomos con muchos protones (polos iguales se repelen).

Iones del Hidrogeno

Como recordará, un átomo está compuesto por un núcleo, formado por neutrones (no siempre) y protones. Estos con carga eléctrica positiva y aquellos con carga neutra (sin carga). A su vez, el átomo consta de una envoltura electrónica a base de electrones, de carga eléctrica negativa. En la naturaleza todos los átomos son eléctricamente neutros, teniendo igual número de protones que de electrones.

Mientras que la fisión nuclear se conoce y puede controlarse bastante bien, la fusión plantea el siguiente gran inconveniente, que hace que continúe en fase de estudio, aunque bien entrado el s. XXI se espera resolver: para que la reacción de fusión sea posible hay que vencer la mencionada repulsión electrostática entre dos núcleos igualmente cargados; esto es, al existir núcleos atómicos con igual carga, y en virtud del principio de que cargas iguales se repelen, hay que aplicar una gran energía para conseguir la unión de las mismas.

Proceso de la fusión nuclear
Proceso de fusión nuclear

Esto se logra gracias al calor, aplicando temperaturas de millones de grados. El problema referido proviene de la dificultad de encontrar un reactor que aguante esa temperatura.

Dicha temperatura se logra en el interior de una explosión de fisión, que es el comienzo de toda bomba de fusión o bomba H, cuyo padre científico fue Edward Teller.

Con este calor se crea un nuevo estado de la materia, el plasma, en el que se da un absoluto desorden de iones y electrones.
Una vez acabada la reacción de fusión nos encontraremos con una esfera expandida con una temperatura de millones de grados en la que pululan los productos de la fusión (litio e isótopos del hidrógeno), tal es su velocidad que pueden fundirse unos con otros dando lugar a la reacción de fusión. Esta reacción genera más energía que la anterior y libera gran cantidad de partículas nucleares, pero no es una reacción en cadena, ya que el propio calor que genera hace que las partículas se separen y se expandan en forma de una esfera de plasma con una temperatura que tan sólo experimenta el universo de manera natural en muy raras ocasiones (en forma de supernova).

De esta forma cada gramo de Hidrogeno produce del orden de 173.000 Kilovatios/hora.

El proceso de fusión a nivel atómico.-

Veamos qué ocurre a nivel atómico para que se lleve acabo la fusión.


Reactor de fusión Tokamak
Reactor de fusión tokamak.

El doctor Henry Kendall, profesor del Instituto Tecnológico de Massachussetts (MIT), puso un ejemplo muy gráfico:

"Supongamos que una pequeña concavidad hemisférica -a modo de cuenco- hecho en una tabla horizontal es un núcleo, y que una bola de acero de un tamaño muchísimo menor es una partícula. Si empujamos la bola por la tabla hacia el cuenco caerá rodando por uno de sus lados y subirá por el opuesto, saliéndose del mismo. Por otra parte, si se suelta la bola dentro del cuenco en uno de sus lados a medio camino del fondo, subirá hasta igual altura por el otro lado, volverá al punto de partida, y si no existen influencias externas, seguirá oscilando eternamente.

Pues bien, el problema de la fusión consiste en introducir la bola de acero en el cuenco y lograr que permanezca en su interior en lugar de salirse. Esto sólo lo podrá hacer cediendo energía de algún modo. En la fusión se llama energía de enlace a la cantidad de energía que debe ceder la partícula externa para quedar atrapada en el cuenco. Un buen ejemplo de esta pérdida de energía es la producida por la fusión del deuterio y el tritio, dos isótopos del hidrógeno.
El núcleo del tritio contiene un protón y dos neutrones, y el del deuterio un protón y un neutrón, dando un total de 5 partículas. En la fusión de esos isótopos, cuatro de las partículas -2 neutrones y 2 protones- se unen con gran fuerza, siendo capaces de expulsar violentamente al neutrón restante, desprendiéndose así de la cantidad de energía necesaria. Esta es la energía que libera una reacción de fusión. Cuando las anteriores 4 partículas han hecho esto pueden rodar por su cuenco sin que nada les moleste, pero para lograr esto hay que comprimir fuertemente los núcleos. Sólo en ese momento la fuerte interacción puede extender sus cortos pero potentes brazos en ese abrazo que desencadena la energía explosiva de una bomba de hidrógeno".

Cómo se puede conseguir la fusión.-

Hay formas de conseguir la energía nuclear de fusión que se están experimentando actualmente, el confinamiento magnético y el confinamiento inercial.

- Confinamiento magnético.- Se consigue crear y mantener la reacción gracias a grandes cargas magnéticas que hacen las veces de muros de contención de las cargas nucleares. La explicación es la siguiente:
Puesto que el plasma esta formado por partículas cargadas, éstas deben moverse describiendo hélices a lo largo de las líneas magnéticas. Disponiendo estas líneas de manera que se cierren sobre sí mismas y estén contenidas en una región limitada del espacio, las partículas estarán confinadas a densidades más modestas durante tiempos lo suficientemente largos como para conseguir muchas reacciones de fusión.

Reactor nuclear
Esquema de un reactor nuclear.

- Confinamiento inercial.- El calentamiento se consigue con láseres de gran potencia y el confinamiento del plasma con la propia inercia de la materia. Este plasma se contiene por muy poco tiempo (microsegundos), pero a densidades muy altas (produciéndose muchas reacciones).

La investigación actual se está inclinando más por el confinamiento magnético, habiéndose descubierto recientemente un nuevo método para mantener la reacción, cambiando el campo magnético de la forma cilíndrica a otra aproximadamente en forma de cuerno de toro.

También se ha hablado de la fusión en frío, para evitar los problemas antedichos. Este sistema lo propuso hace pocos años un importante científico, que supondría un gigantesco avance en este campo.

Desgraciadamente, y como la inversión en los otros dos sistemas ha sido grandísima y costaría mucho dinero cambiar los métodos de investigación a esta nueva vía, aparte de las presiones de los científicos que ahora investigan, que vieron peligrar sus subvenciones, al descubridor de la fusión en frío poco menos que se le lapidó, no volviéndose a oír hablar de él ni de su sistema. Científicos más objetivos consideran que con ello se han perdido al menos 40 ó 50 años en la investigación de la fusión.


Podemos decir con orgullo que España se encuentra en los primeros puestos en cuanto a investigación de la energía de fusión, disponiendo de prestigiosos científicos dedicados a esta materia y con gran reconocimiento internacional.

La reacción de fusión se suele conseguir por la unión del tritio y el deuterio (isótopos del hidrógeno) para conseguir una partícula X (alfa) logrando el calor necesario.

El deuterio se encuentra en un 0`15% en el hidrógeno, y el tritio se extrae del litio, muy abundante en el agua, por lo que no hay problemas en cuanto a estas materias primas.

Reactores de fusión: TOKAMAKS Y STELLARATORS.-

(en desarrollo)

Resultados y futuro.-

Comparativamente, la energía de fusión proporciona más energía que la de fisión. Por ejemplo, medio kilo de hidrógeno (muy abundante en la naturaleza, ya que forma parte del agua) produciría unos 35 millones de kilovatios hora:

1 Kg. de Hidrógeno = 70.000.000 Kw/h.

Por otro lado la fusión no contamina, o al menos, no tanto como la fisión, no existiendo peligro de radiactividad. La fisión por contra, requiere de una materia prima de difícil y costosa extracción.

En cuanto a la utilidad de la energía de fusión, que es la que se da en el Sol para generar el calor que nos permite vivir, podemos destacar primeramente que sería una fuente casi inagotable de electricidad. Paulatinamente se deberían ir sustituyendo los reactores de fisión por los nuevos de fusión, evitándose así los problemas de radiactividad.

Compact Helical Stellarator (CHS) (Fuente: NIFS)
Compact Helical Stellarator (CHS) (Fuente: NIFS)

En un futuro no demasiado lejano incluso podrían instalarse estos reactores, como ahora ocurre con los de fisión, en submarinos, naves espaciales, y también en aeronaves y vehículos terrestres. Quizás se puedan llegar a tener automóviles, camiones, trenes, autobuses...con motores de fusión (quién sabe).

Aparte de que esto, técnicamente, llegará a ser factible, habrá que contar de nuevo con los intereses económicos y políticos (la industria del petróleo mueve anualmente miles de millones de euros, y los estados ganan muchísimo a través de los impuestos). Recordemos, por ejemplo, el caso de aquel español que inventó un motor a base de agua hace unos años; sorprendentemente la noticia desapareció de los medios de comunicación en cuestión de días (¿presiones económicas y políticas?).

Con todos estos antecedentes cabe preguntarnos si de verdad podremos ver un día estos avances y beneficiarnos, como ciudadanos de a pie, de ellos.

El Sol. La gran central nuclear de fusion

Recientemente se ha logrado en el reactor español de fusión TJ-II, del CIEMAT, confinar plasma a una temperatura similar a la del sol. El objetivo de este reactor no es conseguir la fusión y generar electricidad, sino estudiar durante los próximos quince años el comportamiento del plasma.

El TJ-II tiene un peso de 60 toneladas y un diámetro de 5 metros, y funciona calentando hidrogeno inyectado en su interior, gracias a una potencia eléctrica de un millón de watios generados.

Hasta el momento se han logrado en 120 ocasiones plasma, durando cada prueba aproximadamente un segundo.
El éxito de este experimento es un paso más en la consecución de la esperada energía de fusión.

Artículo especial: CÓMO DETENER UN ACCIDENTE CON FUSIÓN DE NÚCLEO (sin hacer nada)
Barón, J.H. Autoridad Regulatoria Nuclear e Instituto CEDIAC - Universidad Nacional de Cuyo. Argentina