Fusió, font inesgotable d'energia
1989/05/01 Legarreta, J. A. Iturria: Elhuyar aldizkaria
La fusió nuclear és el procés de formació d'un nucli més pesat mitjançant la suma de dos nuclis lleugers, alliberant gran quantitat d'energia. És la que aporta la major quantitat d'energia de totes les fonts d'energia que coneixem.
Aquesta ingent quantitat d'energia es deu a la pèrdua de massa en la reacció. Però, què és la pèrdua de massa? La massa dels nuclis atòmics mesurats en laboratori és menor que la suma de les masses dels seus nucleons, coneguts com a protó i neutró nucleó, i a aquesta diferència de massa se'l denomina pèrdua de massa. For example, in the laborating assumption of 4 2 He mass 4.0015 amu (amu = unit. atòmica de massa = 1.66077x x10 -27 kg. És la unitat utilitzada per a mesurar la massa dels àtoms).
Per part seva, la suma de les masses dels seus dos protons i dos neutrons és de 4,032 amus. Així doncs, si generéssim el nucli d'heli combinant els seus quatre components, tindríem una pèrdua de massa de 0,0305 amu. On està aquesta massa?. E = m obtingut per ALBERT EINSTEIN per a respondre a aquesta pregunta. Hem d'anar a l'equació c 2. Aquesta equació permet la generació d'energia per massa i viceversa. Segons l'equació anterior, la massa de 0,0305 amu equival a una energia de 28,3 MeV. The mass perding at generation of 4 2 He is liberated as energy.
Quan es va descobrir que aquesta pèrdua de massa produeix energia, s'hauria produït una recerca de fusió. Els experiments realitzats en aquest camp han estat molt nombrosos. En les fusions nuclears investigades, la més rendible és la intermèdia entre el deuteri de l'hidrogen i els isòtops de triti, ja que és la que major quantitat d'energia aporta.
El problema que trobem en la recerca de les reaccions de fusió és, entre altres, el de superar la barrera electroestàtica. Recordem que, segons l'electroestàtica, les càrregues del mateix signe es repel·leixen entre si, i com més pròximes estiguin les dues càrregues, major és la força repel·lent que sofreixen. Per tant, si es vol dur a terme el procés de fusió de tots dos nuclis és necessari superar la força repulsiva. Per a ells necessitarem milions de graus de temperatura i molta pressió. En el cas de la reacció de fusió Deuteri-Triti, per exemple, es requereix una temperatura de 108 °C. A pesar que els investigadors que treballen en els Centres de Recerca de Fusió estan intentant aconseguir altes temperatures i pressions, els resultats no són satisfactoris.
Dit això, el físic americà STEVEN JONES va participar en la reunió convocada per la “American Physical Society” el 24 d'abril de 1986, afirmant que, basant-se en els seus experiments, havia aconseguit culminar el procés de fusió a una temperatura d'uns 100C. Segons ell, si poguéssim substituir l'electró d'un dels dos àtoms d'hidrogen que intervenen en la reacció de fusió per una partícula denominada muón, la fusió es produiria a una temperatura molt de menor. Per tant, podríem dir que la reacció de fusió és catalitzada pel muón.
El muón es va trobar en la radiació còsmica en 1936. La següent taula mostra que l'electró i el muón són molt similars.
Aquesta taula mostra la similitud entre el muón i l'electró.
El muón és molt inestable, com ho demostra el valor de la seva vida mitjana, 207 vegades més pesat que l'electró. Per aquesta última propietat se'l coneix com a electró pesat.
La veritat és que el que proposa Jones no és una idea nova; fa uns quaranta anys F.C. de la Universitat de Bristol. El físic FRANK va suggerir que el muón podia catalitzar la fusió.
Vegem què ocorre en substituir l'electró per un muón. Com és sabut, el radi de l'àtom és inversament proporcional a la massa. Per tant, l'àtom d'hidrogen amb muón s'interioritzaria unes 200 vegades més que el d'electró i el muón estaria molt més prop del nucli. Com a conseqüència d'això, el muón disfressa la càrrega positiva del nucli i la força repel·lent entre aquest nucli i un altre nucli sembla menys intensa, superant més fàcilment la barrera electroestàtica. Per tant, no necessitem escalfar fins a altes temperatures nuclears.
Encara que aquest mètode suposa un gran avanç en el camp de la fusió, no hem de pensar que hem netejat tots els problemes. La veritat és que tot el que s'ha esmentat fins ara és teoria i si s'emporta a la pràctica caldrà donar solucions a problemes tecnològics.
Vegem F.C. Frank explica la reacció de fusió catalitzada per muones. El procés de fusió desenvolupat per Frank es desenvolupa en quatre passos:
- pas: El muón expulsa l'electró de l'àtom d'hidrogen de la seva òrbita, formant hidrogen amb muón.
- pas: En cas d'existir un deuteri o nucli de triti al voltant de l'àtom d'hidrogen amb muón, aquest passaria de l'hidrogen al deuteri o triti, ja que en gravar els muones entorn d'un nucli més pesat estaria en un orbital de menor energia. Recordem que segons la termodinàmica tots els sistemes físics, i en el nostre cas els muones, tendeixen a un estat o nivell de menor energia. Així que hem aconseguit un deuteri amb muón.
- pas: Atès que el turó es troba molt prop del seu nucli actual, la seva càrrega negativa disfressa la càrrega positiva del nucli, amb major facilitat per a superar la força repel·lent electroestàtica. Llavors, el deuteri amb muón i algun àtom d'hidrogen pròxim podrien xocar entre si. Com a conseqüència de la col·lisió, l'electró de l'àtom d'hidrogen seria expulsat pel muón i mitjançant aquest s'unirien el deuteri i el protó formant la mesomolécula. Tots dos nuclis es troben molt pròxims entre si i estan vibrant, per la qual cosa es troben en una excel·lent oportunitat per a superar la barrera electroestàtica i fusionar.
- pas: En aquest últim pas, representat per Frank, el turó desapareixeria per desintegració o absorció del nucli, creant un nucli de 3 He. Per tant, la fusió s'ha completat.
Segons els càlculs de Frank, el conjunt de reaccions descrites es produeix en 10-12 s. La vida mitjana del muón és de 2,2.10 -6 s, la qual cosa permet completar el procés, ja que abans de la desaparició del muón es produeix la fusió.
Quan tot això es va fer públic, va ser considerat com una invenció. Fins a 1956 aquesta teoria no va tenir les seves primeres bases experimentals. Quan un grup de científics de Berkeley, sota la direcció del físic LUIS ALVAREZ, investigava les característiques de les partícules anomenades caones, les citades bases experimentals es van produir en la cambra de bombolles. Diguem que la cambra de bombolles és un detector de partícules utilitzat en la Física Nuclear. Cambra de bombolles en 1952 D. A. GLASER i L. Creada per AL{. A la cambra s'introdueix un líquid amb una temperatura pròxima al seu punt d'ebullició. En disminuir la pressió sobre el líquid disminueix la seva temperatura d'ebullició.
Si la pressió disminueix prou, aconseguirem que la temperatura d'ebullició sigui menor que la del líquid, arrossegant el líquid a l'estat de sobreescalfament. Quan el líquid està en estat de sobreescalfament, és volàtil i en cas de tenir un centre d'evaporació, com a partícules sòlides o ions, s'evapora. Per tant, si les partícules ionitzants travessen el líquid en aquestes condicions, es formaran bombolles de gas al voltant dels ions. Les bombolles de gas mostrarien el recorregut de la partícula i mesurant la curvatura del recorregut es pot identificar a les partícules i l'energia a la qual pertanyen. Luis Alvarez va utilitzar hidrogen líquid i ho va portar a l'estat de sobreescalfament.
A continuació, va fer passar un joc de caones a través de l'hidrogen líquid de la cambra de bombolles, mesurant la curvatura en el recorregut dels ions, identificant a més dels caones els muones. Recordem que les gavines són partícules inestables i la seva descomposició dóna lloc, entre altres coses, a la formació de muones. D'altra banda, l'hidrogen de la cambra contenia deuteri en una proporció de 1/50.000. Aquestes són les condicions que s'han de complir perquè es produeixi el procés de fusió representat per Frank. Les condicions per al procés de fusió de Frank semblen reunir-se els novembre.
Però com la reacció de fusió entre deuteri i triti dóna més quantitat d'energia, els científics van proposar que el mètode de Frank podria utilitzar-se per a la reacció D-T.
I.T. PONOMAREV i S. S. Els investigadors soviètics GERSTEIN van proposar que la reacció D-T es podia catalitzar de la següent manera: al principi el muón s'adhereix al nucli de triti. Si el triti amb muón està prop d'una molècula deuteri, es formaria una espècie de supermolécula en la qual el deuteri i el triti estarien units per un muón.
La fusió es produeix a l'interior de la mesomolécula, igual que el procés descrit anteriorment, però hi ha una diferència evident: en aquest cas la mesomolécula es forma més ràpidament, per la qual cosa la fusió es produeix més ràpidament. A continuació, els soviètics van analitzar la factibilitat del procés descrit i van estimar que, abans de la desintegració del muón, més de 100 reaccions podien ser catalitzades. Segons els càlculs teòrics realitzats, davant la possibilitat de dur a terme un procés de fusió per muones, els investigadors van començar a analitzar la rendibilitat energètica del procés.
En 1983 Steven Jones i el seu equip de recerca van realitzar experiments en els quals es van mesurar 80 D-T de reaccions de fusió de medul·la. Malgrat ser una bona quantitat, era molt petita des del punt de vista de la rendibilitat energètica, ja que l'energia gastada en el procés era superior a l'obtinguda. Encara que existeixen diverses vies per a aconseguir el muón, solen obtenir-se per desintegració de la partícula anomenada pió, el mètode més rendible i millor. Els pions procedeixen de xocs internucleones, generalment entre nuclis de carboni i protons. Diguem que es necessita una quantitat d'energia de 5 GeV en l'obtenció del muón descrit i que de les 80 reaccions de fusió de D-T mesurades per Steven Jones en els seus experiments, es pot obtenir una quantitat d'energia de 1,4 GeV. Per tant, haurien de produir-se entre 300 i 400 reaccions de fusió en el muón per a rendibilitzar el procés. Aquí tens la competició.
Els físics van veure la necessitat de millorar les sessions. En les sessions celebrades per físics de la Universitat d'Idaho, s'han aconseguit 170 fusions del muón i s'espera que aconsegueixin el doble. A més, els físics teòrics han anunciat uns resultats molt satisfactoris i afirmen que, millorant els experiments i la tècnica, es podrien aconseguir 103 reaccions de fusió en el muón. D'altra banda, s'estan investigant mètodes per a obtenir els muones amb un menor cost energètic.
Una fusió freda?
Davant aquests pronòstics, altres investigadors que treballen en el camp de la fusió s'han omplert de coratge i han començat amb força les seves sessions de fusió. Els objectius de recerca se centren en el procés de fusió realitzat a temperatura ambient, és a dir, en el que actualment es coneix com a fusió freda. De fet, STANLEY PONS i MARTIN FLEISCHMANN van donar a conèixer en roda de premsa celebrada el passat 23 de març en la Universitat d'Utah als Estats Units el procés de fusió dut a terme recentment. Aquests investigadors van completar l'experiment a una temperatura de 27 °C i van afirmar que amb l'ús dels elèctrodes de pal·ladi i platí havien aconseguit la fusió d'àtoms deuteri en una cuba electrolítica plena d'aigua pesant (D2O).
En la roda de premsa no es va donar molta precisió i es va dir que els resultats es publicarien en la revista "Nature" el dia de maig d'enguany. La setmana següent Steven Jones, en la seva conferència oferta en la Universitat de Columbia als Estats Units, va donar a conèixer els últims experiments en el camp de la fusió freda i va exposar els seus resultats S. Pons i M. Són més fiables que els de Fleischmann, malgrat aconseguir una menor quantitat d'energia.
Recordem que Steven Jones ha dedicat aquests últims 5 anys a la recerca de la fusió freda. Els seus resultats es publicaran també en la revista "Nature". Per tant, haurem d'esperar a maig. S. Pons i M. Els Fleischmann han treballat durant els últims 40 anys en el camp de la fusió, malgrat la fusió d'hidrogen. Tres investigadors es coneixen i en el seu moment els estudis de fusió es van dur a terme en el mateix laboratori i junts, però un sap per què es van separar i han estat molt competitius entre ells.
Després de conèixer l'experiment, diversos investigadors comencen a realitzar prediccions, com ja s'ha dit abans, S. Pons i M. Verificar el procés de fusió de Fleischmann. Davant els resultats anunciats per STEPHEN DEAN, coodinador d'investigadors d'energia de fusió als Estats Units, Pons i Fleischmann, s'ha sorprès, ja que alguns físics de la Universitat de Brighmann Joung han realitzat el mateix experiment i Pons i Fleischmann no han aconseguit una altra energia. S. Segons Dean, aquest mètode no permet grans quantitats d'energia.
ROBERT PARK, membre de l'Organització de Física dels Estats Units, ha expressat el seu desconeixement de com han realitzat els seus mesuraments. Un àtom de triti i un protó en la primera meitat de la fase de fusió de dos àtoms de deuteri —R. Per a Park es creen i en l'altre centre es forma un àtom d'He (4) i un protó. La direcció del neutró produït i els espectres energètics, almenys a causa de l'existència o no d'una fusió. En la seva opinió, els raigs X poden causar interferències ja que proporcionen la mateixa quantitat d'energia i direcció de neutrons.
Investigadors de l'Organització de l'Energia Atòmica del Gran Bretanya, sota la direcció de DAVID WILLIAMS, han realitzat en els últims dies les proves necessàries. Pons i M. Per a veure la fiabilitat del programa de Fleischmann. Les sessions s'han realitzat en el centre d'Harwell i no han trobat neutrons. En realitat, la presència de neutrons és imprescindible per a demostrar la fusió. En els últims 50 anys Estats Units ha gastat milers de milions de pessetes en el sector de la fusió. Per a l'acceptació de la fusió dels àtoms d'hidrogen s'han utilitzat tot tipus de mètodes, com el confinament magnètic, el làser. Per tant, no és d'estranyar que el físic estigui desconfiat dels resultats obtinguts pels dos químics amb un instrumental molt senzill.
Eritzi eritzi, S. Pons i M. Per a conèixer les incidències de l'experiment de Fleischmann, com ja s'ha dit, haurem d'esperar que el publiqui la revista "Nature". Però sembla que ocorre així: fan passar el corrent elèctric a través de l'aigua pesant. El corrent elèctric disocia l'aigua pesant amb ions 0= (oxigen) i D+ (deuteri). Llavors, els ions positius D+ es dirigeixen a l'elèctrode negatiu de pal·ladi (càtode). Quan en el càtode s'acumula una gran quantitat d'ions D+, l'altra opció és que els ions deuteri, en estar molt prop del batcher, es fusionin.
No obstant això, els productes de reacció poden ser de diferent naturalesa. Per exemple, es pot formar un nucli d'heli (4) i una energia neutra de 3.25 MeV. D'altra banda, és possible que es formi un àtom de triti i un protó de 4 MeV, que després reaccioni amb un àtom de deuteri, donant un nucli d'heli (4) i un neutró de 17,.5 MeV. Els investigadors no es posen d'acord. Alguns creuen que es produeix la primera reacció i uns altres diuen que és la segona. Com s'observa, no hi ha falta d'idees i a curt termini l'ésser humà podrà controlar una enorme energia dins del procés de fusió.
Per a acabar, voldria dedicar aquestes últimes paraules a la Física de Partícules, perquè el lector es fixi en les possibilitats d'ús d'aquesta disciplina. Com és sabut, des que es va descobrir l'electró, el protó i el neutró que formen l'àtom, al llarg de la història de l'activitat física s'han trobat altres partícules (muón, caón, pion, positró, ...). Quan es descobria una nova partícula, el físic s'alegrava pel descobriment que s'obtenia d'una banda, i per un altre, veien el món cada vegada més complicat. Així va néixer la física de partícules i el seu ús fins al moment s'ha limitat a la cosmologia i a l'astrofísica, però esperem que tingui un ús pràctic no sols com a font d'energia tan necessària i pràctica per a l'ésser humà, sinó també per a altres necessitats humanes.
Nota: aquest article s'ha redactat a mitjan abril i tractarem d'informar de les notícies que es produiran des de llavors sobre aquest tema.
Gai honi buruzko eduki gehiago
Elhuyarrek garatutako teknologia
