¿Qué es la fusión nuclear? Definición, concepto y características

¿Qué es la fusión nuclear? Definición, concepto y características

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Definición principal

“La fusión nuclear es una reacción atómica en la que múltiples átomos se combinan para crear uno solo, mucho más masivo.”

 

El átomo resultante cuenta con una masa ligeramente menor que la suma de las masas de los átomos originales. La diferencia de la masa es liberada en forma de energía durante la reacción, según la fórmula de Einstein: E=mc², donde E es la energía en julios, m es la diferencia de la masa en kilogramos, y c es la velocidad de la luz (aproximadamente 300.000.000 metros por segundo).

 

La fusión nuclear más común del universo, y la que genera un mayor interés a los científicos, es la fusión de núcleos de hidrógeno para formar núcleos de helio. Este es el proceso que sucede en el interior de las estrellas, incluyendo al sol. La fusión del hidrógeno es responsable de la cantidad de energía que producen estos astros. La reacción envuelve tres pasos:

 

  • Primero, dos protones se combinan para formar un núcleo de deuterio, que consiste en un protón y un neutrón. Un positrón (también conocido como anti-electrón) y un neutrino (una partícula con poca masa pero con un poder de penetración extremo) son generados durante esta parte del proceso.

 

  • Segundo, el núcleo de deuterio se combina con otro protón, formando un núcleo de helio 3, que consiste en dos protones y un neutrón. Durante esta parte del proceso se produce un fotón energético, con una longitud de onda en la porción de rayos gamma del espectro electromagnético.

 

  • Finalmente, los dos núcleos de helio 3 se combinan para formar un núcleo de helio 4, que consiste en dos protones y dos neutrones. En esta parte del proceso, dos protones (con núcleos hidrógenos ordinarios) son liberados. Estos elementos pueden, eventualmente, producir otra reacción de fusión.

 

La fusión nuclear requiere de temperaturas altamente extremas, del orden de diez millones de grados Celsius.

 

Adicionalmente, una intensa fuerza de atracción, como la gravitatoria que sucede en el centro de las estrellas, es necesaria para superar la repulsión electroestática entre los núcleos cargados positivamente. Los científicos pueden generar las altas temperaturas y fuerzas requeridas para producir una fusión de hidrógeno sin control, el ejemplo más conocido de bomba de hidrógeno.

 

Sin embargo, mantener estas temperaturas y fuerzas de forma indefinida, con el objetivo de construir un reactor de fusión de hidrógeno puede generar una energía útil, pero también difícil de conseguir.

 

¿Cómo se puede conseguir una fusión nuclear en la Tierra?

Obviamente, la energía que hay en el centro del Sol comparada con el centro de la Tierra, es muy diferente, así que ¿cómo podríamos generar reacciones nucleares en nuestro planeta?

 

Las fusiones nucleares de hidrogeno se producen constantementes en las estrellas
Las fusiones nucleares de hidrogeno se producen constantementes en las estrellas

En lugar de utilizar los átomos de hidrógeno ordinarios, el mejor enfoque es utilizar otros isótopos (formas atómicas diferentes) del hidrógeno, un poco más pesados. Un átomo de hidrógeno ordinario cuenta con solo un protón en el núcleo y con un electrón en el espacio que lo rodea, pero estos isótopos más pesados están construidos de forma diferente (por lo que también son mucho menos estables. Uno de ellos conocido como deuterio, cuenta con un protón y un neutrón en el núcleo, y con un electrón en su exterior. El otro, denominado tritio, tiene un protón, dos protones y dos electrones.

 

Si aplastamos un átomo de deuterio con uno de tritio, contaremos con dos protones, tres neutrones y dos electrones. A partir de aquí, podemos crear un átomo de helio muy estable (que cuente con dos protones, dos neutrones, y dos electrones) y dejar un neutrón sobrante. Para convertir dos átomos inestables en un átomo de helio estable, tenemos que liberar una gran cantidad de energía.

 

Descripcion del proceso de fusion del deuterio y tritio
Descripcion del proceso de fusion del deuterio y tritio. Fuente

Esto parece como si fuera una reacción química, donde reaccionaría un metal como el sodio con gas de cloro. Las reacciones químicas pueden liberar energía si los productos son más estables que los reactantes. Sin embargo, consigues mucha más energía procedente de una reacción nuclear (donde los átomos del inicio cambian completamente en su resultado) que en una reacción química (donde los átomos mantienen su identidad pero se unen o reagrupan en diferentes moléculas).

 

Esto se debe a que la cantidad de energía necesitaria para mantener el núcleo en un solo átomo junto (conocido como su energía de unión) es más grande que la cantidad de energía involucrada en la unión de dos átomos diferentes.

 

¿Cuánta energía se libera en una fusión?

Si comparas la masa de un átomo deuterio y un átomo tritio con la masa de un átomo de helio y un neutrón, encontrarás que parte de la masa se “ha perdido” durante la fusión nuclear. Esto se debe a que la masa se convierto en energía como parte de la fusión de los núcleos; la cantidad de energía se relaciona precisamente con la cantidad de masa, según la famosa ecuación de Einstein, E=mc², que muestra que una pequeña cantidad de energía puede producir una gran cantidad de masa.

 

La gran cantidad de energía liberada en una sola reacción es de 17.59MeV (17.59 millones de electrones voltios), que es una de las medidas utilizadas y entendidas, solamente, por los físicos. Puede parecer mucho, pero recuerda que 1 gramo de hidrógeno contiene 600,000,000,000,000,000,000,000 de átomos y que podrías crear una enorme fusión con muy poco combustible.

 

Contaminación y medioambiente

La fusión nuclear ofrece una gran promesa para el futuro: grandes suministros de energía limpia creados a partir de combustibles disponibles que son efectivamente ilimitados.

 

La fusion nuclear a penas contaminara el medio ambiente
La fusion nuclear a penas contaminara el medio ambiente
Produce residuos no nucleares o contaminación (a diferencia del equipo del reactor, que permanece contaminando un siglo después de que finalice su vida) ni gases efecto invernadero. No hay riesgo de accidentes nucleares similares a los que han ocurrido en las plantas de fisión (en horribles incidentes como el de Chernobyl, Ucraina en 1986 o el de Fukushima, Japón en 2011).

 

Como parte negativa los científicos estiman que estaremos durante varias décadas alejados de las plantas comerciales de fusión. Es solo cuestión de tiempo, pero, ¿seremos capaces de desarrollar este tipo de energía saludable antes de que la crisis energética y el cambio climático terminen con nuestro hogar?

 

Fuentes:

http://objetos.unam.mx/fisica/fusionNuclear/index.html

http://energia-nuclear.net/que-es-la-energia-nuclear/fusion-nuclear

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/nucene/fusion.html

http://recursostic.educacion.es/newton/version/n3/materiales_didacticos/fusionnuclear/fusionnuclear.html

 

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