Qué condiciones se requieren para la fusión nuclear
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La fusión es una de las opciones más prometedoras para generar la energía más limpia que el mundo tanto necesita. Los científicos e ingenieros del CCFE están desarrollando la tecnología necesaria para llevar la electricidad de fusión a la red.
La fusión es el proceso que tiene lugar en el corazón de las estrellas y proporciona la energía que impulsa el universo. Cuando los núcleos ligeros se fusionan para formar un núcleo más pesado, liberan ráfagas de energía. Es lo contrario de la fisión nuclear -la reacción que se utiliza hoy en día en las centrales nucleares-, en la que la energía se libera cuando un núcleo se divide para formar núcleos más pequeños.
Para producir energía a partir de la fusión aquí en la Tierra, se calienta una combinación de gases de hidrógeno -deuterio y tritio- a temperaturas muy elevadas (más de 100 millones de grados centígrados). El gas se convierte en plasma y los núcleos se combinan para formar un núcleo de helio y un neutrón, con una pequeña fracción de la masa convertida en energía de “fusión”. Un plasma con millones de estas reacciones cada segundo puede proporcionar una enorme cantidad de energía a partir de cantidades muy pequeñas de combustible.
¿Qué se necesita para que funcionen las reacciones de fusión?
En la Tierra, para producir energía neta, las reacciones de fusión deben tener lugar a temperaturas muy elevadas, de al menos 100 millones de grados, es decir, unas siete veces más calientes que el centro del Sol. A estas temperaturas tan elevadas, el combustible de fusión se convierte en plasma.
¿Cuáles son las dos condiciones necesarias para que se produzca una reacción de fusión nuclear?
De las condiciones anteriores podemos concluir que tanto la alta temperatura como la presión son necesarias para que se produzca la fusión nuclear.
Ecuación de fusión nuclear
El Departamento de Energía de EE.UU. anunció el 13 de diciembre de 2022 que, por primera vez, y tras varias décadas de intentos, los científicos han conseguido obtener más energía del proceso de la que han tenido que introducir.
Pero, ¿hasta qué punto es importante este avance? ¿Y hasta qué punto está lejos el sueño largamente perseguido de que la fusión proporcione energía abundante y limpia? Carolyn Kuranz, profesora asociada de ingeniería nuclear en la Universidad de Michigan que ha trabajado en la instalación que acaba de batir el récord de fusión, nos ayuda a explicar este nuevo resultado.
La fusión es una reacción nuclear que combina dos átomos para crear uno o más átomos nuevos con una masa total ligeramente inferior. La diferencia de masa se libera en forma de energía, tal y como describe la famosa ecuación de Einstein, E = mc2 , donde la energía es igual a la masa por la velocidad de la luz al cuadrado. Dado que la velocidad de la luz es enorme, la conversión de una cantidad ínfima de masa en energía -como ocurre en la fusión- produce una cantidad igualmente enorme de energía.
Los investigadores de la Instalación Nacional de Ignición del Gobierno de EE.UU. en California han demostrado, por primera vez, lo que se conoce como “ignición por fusión”. La ignición se produce cuando una reacción de fusión produce más energía de la que se introduce en la reacción desde una fuente externa y se vuelve autosostenible.
Desventajas de la fusión nuclear
Hoy en día, muchos países participan en cierta medida en la investigación de la fusión, encabezados por la Unión Europea, EE.UU., Rusia y Japón, con vigorosos programas también en curso en China, Brasil, Canadá y Corea. Al principio, la investigación sobre la fusión en Estados Unidos y la URSS estaba vinculada al desarrollo de armas atómicas, y permaneció clasificada hasta la conferencia Átomos para la Paz, celebrada en Ginebra en 1958. Tras un gran avance en el tokamak soviético, la investigación de la fusión se convirtió en “gran ciencia” en la década de 1970. Pero el coste y la complejidad de los dispositivos implicados aumentaron hasta el punto de que la cooperación internacional era la única forma de avanzar.
La fusión impulsa el Sol y las estrellas, ya que los átomos de hidrógeno se fusionan para formar helio y la materia se convierte en energía. El hidrógeno, calentado a temperaturas muy elevadas, pasa de ser un gas a un plasma en el que los electrones cargados negativamente se separan de los núcleos atómicos cargados positivamente (iones). Normalmente, la fusión no es posible porque las fuerzas electrostáticas fuertemente repulsivas entre los núcleos cargados positivamente impiden que se acerquen lo suficiente como para colisionar y que se produzca la fusión. Sin embargo, si las condiciones son tales que los núcleos pueden superar las fuerzas electrostáticas hasta el punto de acercarse mucho entre sí, entonces la fuerza nuclear atractiva (que une a los protones y neutrones en los núcleos atómicos) entre los núcleos superará a la fuerza repulsiva (electrostática), permitiendo que los núcleos se fusionen. Estas condiciones pueden darse cuando aumenta la temperatura, lo que hace que los iones se muevan más deprisa y alcancen velocidades lo suficientemente altas como para acercarlos lo suficiente. Los núcleos pueden entonces fusionarse, provocando una liberación de energía.
Fusión nuclear
Desintegración radiactivaAlfa α – Beta β (2β (0v), β+) – Captura K/L – Isomérica (Gamma γ – Conversión interna) – Fisión espontánea – Desintegración en racimo – Emisión de neutrones – Emisión de protonesEnergía de desintegración – Cadena de desintegración – Producto de desintegración – Nucleido radiogénico
La fusión nuclear es una reacción en la que dos o más núcleos atómicos se combinan para formar uno o más núcleos atómicos diferentes y partículas subatómicas (neutrones o protones). La diferencia de masa entre los reactantes y los productos se manifiesta como liberación o absorción de energía. Esta diferencia de masa se debe a la diferencia de energía de enlace nuclear entre los núcleos atómicos antes y después de la reacción. La fusión nuclear es el proceso que impulsa a las estrellas activas o de la secuencia principal y a otras estrellas de gran magnitud, en las que se liberan grandes cantidades de energía.
Un proceso de fusión nuclear que produzca núcleos atómicos más ligeros que el hierro-56 o el níquel-62 generalmente liberará energía. Estos elementos tienen una masa relativamente pequeña y una energía de enlace por nucleón relativamente grande. La fusión de núcleos más ligeros que éstos libera energía (un proceso exotérmico), mientras que la fusión de núcleos más pesados da lugar a energía retenida por los nucleones del producto, y la reacción resultante es endotérmica. Lo contrario ocurre con el proceso inverso, llamado fisión nuclear. La fusión nuclear utiliza elementos más ligeros, como el hidrógeno y el helio, que en general son más fusibles; mientras que los elementos más pesados, como el uranio, el torio y el plutonio, son más fisionables. El acontecimiento astrofísico extremo de una supernova puede producir energía suficiente para fusionar núcleos de elementos más pesados que el hierro.