Fusión, fuente inagotable de energía

1989/05/01 Legarreta, J. A. Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Energia

La fusión nuclear es el proceso de formación de un núcleo más pesado mediante la suma de dos núcleos ligeros, liberando gran cantidad de energía. Es la que aporta la mayor cantidad de energía de todas las fuentes de energía que conocemos.

Esta ingente cantidad de energía se debe a la pérdida de masa en la reacción. Pero, ¿qué es la pérdida de masa? La masa de los núcleos atómicos medidos en laboratorio es menor que la suma de las masas de sus nucleones, conocidos como protón y neutrón nucleón, y a esta diferencia de masa se le denomina pérdida de masa. For example, in the laborating assumption of 4 ₂ He mass 4.0015 amu (amu = unit. atómica de masa = 1.66077x x10 ^-27 kg. Es la unidad utilizada para medir la masa de los átomos).

Por su parte, la suma de las masas de sus dos protones y dos neutrones es de 4,032 amus. Así pues, si generáramos el núcleo de helio combinando sus cuatro componentes, tendríamos una pérdida de masa de 0,0305 amu. ¿Dónde está esa masa?. E = m obtenido por ALBERT EINSTEIN para responder a esta pregunta. Debemos ir a la ecuación c ^2. Esta ecuación permite la generación de energía por masa y viceversa. Según la ecuación anterior, la masa de 0,0305 amu equivale a una energía de 28,3 MeV. The mass perding at generation of ⁴ ₂ He is liberated as energy.

Cuando se descubrió que esta pérdida de masa produce energía, se habría producido una investigación de fusión. Los experimentos realizados en este campo han sido muy numerosos. En las fusiones nucleares investigadas, la más rentable es la intermedia entre el deuterio del hidrógeno y los isótopos de tritio, ya que es la que mayor cantidad de energía aporta.

El problema que encontramos en la investigación de las reacciones de fusión es, entre otros, el de superar la barrera electrostática. Recordemos que, según la electrostática, las cargas del mismo signo se repelen entre sí, y cuanto más próximas estén las dos cargas, mayor es la fuerza repelente que sufren. Por lo tanto, si se quiere llevar a cabo el proceso de fusión de ambos núcleos es necesario superar la fuerza repulsiva. Para ellos necesitaremos millones de grados de temperatura y mucha presión. En el caso de la reacción de fusión Deuterio-Tritio, por ejemplo, se requiere una temperatura de 108ºC. A pesar de que los investigadores que trabajan en los Centros de Investigación de Fusión están intentando alcanzar altas temperaturas y presiones, los resultados no son satisfactorios.

Dicho esto, el físico americano STEVEN JONES participó en la reunión convocada por la “American Physical Society” el 24 de abril de 1986, afirmando que, basándose en sus experimentos, había conseguido culminar el proceso de fusión a una temperatura de unos 100C. Según él, si pudiéramos sustituir el electrón de uno de los dos átomos de hidrógeno que intervienen en la reacción de fusión por una partícula denominada muón, la fusión se produciría a una temperatura mucho menor. Por lo tanto, podríamos decir que la reacción de fusión es catalizada por el muón.

El muón se encontró en la radiación cósmica en 1936. La siguiente tabla muestra que el electrón y el muón son muy similares.

Esta tabla muestra la similitud entre el muón y el electrón.

El muón es muy inestable, como lo demuestra el valor de su vida media, 207 veces más pesado que el electrón. Por esta última propiedad se le conoce como electrón pesado.

La verdad es que lo que propone Jones no es una idea nueva; hace unos cuarenta años F.C. de la Universidad de Bristol. El físico FRANK sugirió que el muón podía catalizar la fusión.

Veamos qué ocurre al sustituir el electrón por un muón. Como es sabido, el radio del átomo es inversamente proporcional a la masa. Por tanto, el átomo de hidrógeno con muón se interiorizaría unas 200 veces más que el de electrón y el muón estaría mucho más cerca del núcleo. Como consecuencia de ello, el muón disfraza la carga positiva del núcleo y la fuerza repelente entre este núcleo y otro núcleo parece menos intensa, superando más fácilmente la barrera electrostática. Por lo tanto, no necesitamos calentar hasta altas temperaturas nucleares.

Aunque este método supone un gran avance en el campo de la fusión, no debemos pensar que hemos limpiado todos los problemas. La verdad es que todo lo que se ha mencionado hasta ahora es teoría y si se lleva a la práctica habrá que dar soluciones a problemas tecnológicos.

Veamos F.C. Frank explica la reacción de fusión catalizada por muones. El proceso de fusión desarrollado por Frank se desarrolla en cuatro pasos:

1. paso: El muón expulsa el electrón del átomo de hidrógeno de su órbita, formando hidrógeno con muón.
2. paso: En caso de existir un deuterio o núcleo de tritio alrededor del átomo de hidrógeno con muón, éste pasaría del hidrógeno al deuterio o tritio, ya que al gravar los muones en torno a un núcleo más pesado estaría en un orbital de menor energía. Recordemos que según la termodinámica todos los sistemas físicos, y en nuestro caso los muones, tienden a un estado o nivel de menor energía. Así que hemos conseguido un deuterio con muón.
3. paso:
   Dado que el cerro se encuentra muy cerca de su núcleo actual, su carga negativa disfraza la carga positiva del núcleo, con mayor facilidad para superar la fuerza repelente electrostática. Entonces, el deuterio con muón y algún átomo de hidrógeno cercano podrían chocar entre sí. Como consecuencia de la colisión, el electrón del átomo de hidrógeno sería expulsado por el muón y mediante éste se unirían el deuterio y el protón formando la mesomolécula.
   Ambos núcleos se encuentran muy próximos entre sí y están vibrando, por lo que se encuentran en una excelente oportunidad para superar la barrera electrostática y fusionar.
4. paso: En este
   último paso, representado por Frank, el cerro desaparecería por desintegración o absorción del núcleo, creando un núcleo de ³ He. Por lo tanto, la fusión se ha completado.

PUNTO DE INCENDIO. La compresión de los núcleos de los isótopos tritio y deuterio del hidrógeno permite su fusión. Como consecuencia, se extrae un núcleo de helio, un neutrón libre y una gran cantidad de energía. La imagen de la página siguiente muestra que, en caso de que la presión exterior sea continua, el neutrón libre choca contra otros núcleos, logrando la fusionarización.

Según los cálculos de Frank, el conjunto de reacciones descritas se ^produce en 10-12 s. La vida media del muón es de ^{2,2.10 -6} s, lo que permite completar el proceso, ya que antes de la desaparición del muón se produce la fusión.

Cuando todo esto se hizo público, fue considerado como una invención. Hasta 1956 esta teoría no tuvo sus primeras bases experimentales. Cuando un grupo de científicos de Berkeley, bajo la dirección del físico LUIS ALVAREZ, investigaba las características de las partículas llamadas caones, las citadas bases experimentales se produjeron en la cámara de burbujas. Digamos que la cámara de burbujas es un detector de partículas utilizado en la Física Nuclear. Cámara de burbujas en 1952 D. A. GLASER y L. Creada por AL{. A la cámara se introduce un líquido con una temperatura próxima a su punto de ebullición. Al disminuir la presión sobre el líquido disminuye su temperatura de ebullición.

Si la presión disminuye suficientemente, conseguiremos que la temperatura de ebullición sea menor que la del líquido, arrastrando el líquido al estado de sobrecalentamiento. Cuando el líquido está en estado de sobrecalentamiento, es volátil y en caso de tener un centro de evaporación, como partículas sólidas o iones, se evapora. Por tanto, si las partículas ionizantes atraviesan el líquido en estas condiciones, se formarán burbujas de gas alrededor de los iones. Las burbujas de gas mostrarían el recorrido de la partícula y midiendo la curvatura del recorrido se puede identificar a las partículas y la energía a la que pertenecen. Luis Alvarez utilizó hidrógeno líquido y lo llevó al estado de sobrecalentamiento.

Los investigadores de los laboratorios en los que actualmente se realizan las sesiones de fusión utilizan herramientas muy avanzadas.

A continuación, hizo pasar un juego de caones a través del hidrógeno líquido de la cámara de burbujas, midiendo la curvatura en el recorrido de los iones, identificando además de los caones los muones. Recordemos que las gaviotas son partículas inestables y su descomposición da lugar, entre otras cosas, a la formación de muones. Por otra parte, el hidrógeno de la cámara contenía deuterio en una proporción de 1/50.000. Estas son las condiciones que se deben cumplir para que se produzca el proceso de fusión representado por Frank. Las condiciones para el proceso de fusión de Frank parecen reunirse los noviembre.

Pero como la reacción de fusión entre deuterio y tritio da más cantidad de energía, los científicos propusieron que el método de Frank podría utilizarse para la reacción D-T.

I.T. PONOMAREV y S.S. Los investigadores soviéticos GERSTEIN propusieron que la reacción D-T se podía catalizar de la siguiente manera: al principio el muón se adhiere al núcleo de tritio. Si el tritio con muón está cerca de una molécula deuterio, se formaría una especie de supermolécula en la que el deuterio y el tritio estarían unidos por un muón.

La fusión se produce en el interior de la mesomolécula, al igual que el proceso descrito anteriormente, pero hay una diferencia evidente: en este caso la mesomolécula se forma más rápidamente, por lo que la fusión se produce más rápidamente. A continuación, los soviéticos analizaron la factibilidad del proceso descrito y estimaron que, antes de la desintegración del muón, más de 100 reacciones podían ser catalizadas. Según los cálculos teóricos realizados, ante la posibilidad de llevar a cabo un proceso de fusión por muones, los investigadores comenzaron a analizar la rentabilidad energética del proceso.

En 1983 Steven Jones y su equipo de investigación realizaron experimentos en los que se midieron 80 D-T de reacciones de fusión de médula. A pesar de ser una buena cantidad, era muy pequeña desde el punto de vista de la rentabilidad energética, ya que la energía gastada en el proceso era superior a la obtenida. Aunque existen varias vías para conseguir el muón, suelen obtenerse por desintegración de la partícula llamada pión, el método más rentable y mejor. Los piones proceden de choques internucleones, generalmente entre núcleos de carbono y protones. Digamos que se necesita una cantidad de energía de 5 GeV en la obtención del muón descrito y que de las 80 reacciones de fusión de D-T medidas por Steven Jones en sus experimentos, se puede obtener una cantidad de energía de 1,4 GeV. Por lo tanto, deberían producirse entre 300 y 400 reacciones de fusión en el muón para rentabilizar el proceso. Aquí tienes la competición.

Los físicos vieron la necesidad de mejorar las sesiones. En las sesiones celebradas por físicos de la Universidad de Idaho, se han conseguido 170 fusiones del muón y se espera que consigan el doble. Además, los físicos teóricos han anunciado unos resultados muy satisfactorios y afirman que, mejorando los experimentos y la técnica, se podrían conseguir 103 reacciones de fusión en el muón. Por otro lado, se están investigando métodos para obtener los muones con un menor coste energético.

La reacción que aporta mayor cantidad de energía es la reacción de fusión D-T. El muón cataliza la reacción y a través de él se unen los núcleos de deuterio y tritio formando una mesomolécula en la que se produce el proceso de fusión.

¿Una fusión fría?

Ante estos pronósticos, otros investigadores que trabajan en el campo de la fusión se han llenado de coraje y han comenzado con fuerza sus sesiones de fusión. Los objetivos de investigación se centran en el proceso de fusión realizado a temperatura ambiente, es decir, en lo que actualmente se conoce como fusión fría. De hecho, STANLEY PONS y MARTIN FLEISCHMANN dieron a conocer en rueda de prensa celebrada el pasado 23 de marzo en la Universidad de Utah en Estados Unidos el proceso de fusión llevado a cabo recientemente. Estos investigadores completaron el experimento a una temperatura de 27ºC y afirmaron que con el uso de los electrodos de paladio y platino habían conseguido la fusión de átomos deuterio en una cuba electrolítica llena de agua pesada (D2O).

En la rueda de prensa no se dio mucha precisión y se dijo que los resultados se publicarían en la revista "Nature" el día de mayo de este año. La semana siguiente Steven Jones, en su conferencia ofrecida en la Universidad de Columbia en Estados Unidos, dio a conocer los últimos experimentos en el campo de la fusión fría y expuso sus resultados S. Pons y M. Son más fiables que los de Fleischmann, a pesar de conseguir una menor cantidad de energía.

Recordemos que Steven Jones ha dedicado estos últimos 5 años a la investigación de la fusión fría. Sus resultados se publicarán también en la revista "Nature". Por lo tanto, tendremos que esperar a mayo. S. Pons y M. Los Fleischmann han trabajado durante los últimos 40 años en el campo de la fusión, a pesar de la fusión de hidrógeno. Tres investigadores se conocen y en su día los estudios de fusión se llevaron a cabo en el mismo laboratorio y juntos, pero uno sabe por qué se separaron y han estado muy competitivos entre ellos.

Tras conocer el experimento, varios investigadores comienzan a realizar predicciones, como ya se ha dicho antes, S. Pons y M. Verificar el proceso de fusión de Fleischmann. Ante los resultados anunciados por STEPHEN DEAN, coodinador de investigadores de energía de fusión en Estados Unidos, Pons y Fleischmann, se ha sorprendido, ya que algunos físicos de la Universidad de Brighmann Joung han realizado el mismo experimento y Pons y Fleischmann no han conseguido otra energía. S. Según Dean, este método no permite grandes cantidades de energía.

ROBERT PARK, miembro de la Organización de Física de Estados Unidos, ha expresado su desconocimiento de cómo han realizado sus mediciones. Un átomo de tritio y un protón en la primera mitad de la fase de fusión de dos átomos de deuterio —R. Para Park se crean y en el otro centro se forma un átomo de He (4) y un protón. La dirección del neutrón producido y los espectros energéticos, al menos debido a la existencia o no de una fusión. En su opinión, los rayos X pueden causar interferencias ya que proporcionan la misma cantidad de energía y dirección de neutrones.

S han utilizado el utillaje tan simple como aparece en la imagen. Pons y M. Fleischmann para realizar su sesión de fusión.

Investigadores de la Organización de la Energía Atómica del Gran Bretaña, bajo la dirección de DAVID WILLIAMS, han realizado en los últimos días las pruebas necesarias. Pons y M. Para ver la fiabilidad del programa de Fleischmann. Las sesiones se han realizado en el centro de Harwell y no han encontrado neutrones. En realidad, la presencia de neutrones es imprescindible para demostrar la fusión. En los últimos 50 años Estados Unidos ha gastado miles de millones de pesetas en el sector de la fusión. Para la aceptación de la fusión de los átomos de hidrógeno se han utilizado todo tipo de métodos, como el confinamiento magnético, el láser. Por lo tanto, no es de extrañar que el físico esté desconfiado de los resultados obtenidos por los dos químicos con un instrumental muy sencillo.

Eritzi eritzi, S. Pons y M. Para conocer las incidencias del experimento de Fleischmann, como ya se ha dicho, tendremos que esperar a que lo publique la revista "Nature". Pero parece que ocurre así: hacen pasar la corriente eléctrica a través del agua pesada. La corriente eléctrica disocia el agua pesada con iones 0= (oxígeno) y D+ (deuterio). Entonces, los iones positivos D+ se dirigen al electrodo negativo de paladio (cátodo). Cuando en el cátodo se acumula una gran cantidad de iones D+, la otra opción es que los iones deuterio, al estar muy cerca del batcher, se fusionen.

Sin embargo, los productos de reacción pueden ser de distinta naturaleza. Por ejemplo, se puede formar un núcleo de helio (4) y una energía neutra de 3.25 MeV. Por otra parte, es posible que se forme un átomo de tritio y un protón de 4 MeV, que después reaccione con un átomo de deuterio, dando un núcleo de helio (4) y un neutrón de 17,.5 MeV. Los investigadores no se ponen de acuerdo. Algunos creen que se produce la primera reacción y otros dicen que es la segunda. Como se observa, no hay falta de ideas y a corto plazo el ser humano podrá controlar una enorme energía dentro del proceso de fusión.

Para terminar, quisiera dedicar estas últimas palabras a la Física de Partículas, para que el lector se fije en las posibilidades de uso de esta disciplina. Como es sabido, desde que se descubrió el electrón, el protón y el neutrón que forman el átomo, a lo largo de la historia de la actividad física se han encontrado otras partículas (muón, caón, pion, positrón, ...). Cuando se descubría una nueva partícula, el físico se alegraba por el descubrimiento que se obtenía por un lado, y por otro, veían el mundo cada vez más complicado. Así nació la física de partículas y su uso hasta el momento se ha limitado a la cosmología y a la astrofísica, pero esperamos que tenga un uso práctico no sólo como fuente de energía tan necesaria y práctica para el ser humano, sino también para otras necesidades humanas.

Nota: este artículo se ha redactado a mediados de abril y trataremos de informar de las noticias que se van a producir desde entonces sobre este tema.

En esta imagen F. C. Se explican los cuatro pasos del proceso de fusión indicado por FRANK.
En la primera reacción del proceso 2 se libera 4 MeV de energía mientras que en la segunda se libera 3,25 MeV. Por lo tanto, desde el punto de vista del balance energético, el segundo proceso sería el más probable, ya que es el que genera mayor cantidad de energía. Sin embargo, tendremos que esperar hasta mayo, para conocer los detalles del experimento de Pons y Fleischmann, para saber cuál de los dos procesos ocurre.