Fusión, fonte inesgotable de enerxía

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

• Energia

A fusión nuclear é o proceso de formación dun núcleo máis pesado mediante a suma de dous núcleos lixeiros, liberando gran cantidade de enerxía. É a que achega a maior cantidade de enerxía de todas as fontes de enerxía que coñecemos.

Esta inxente cantidade de enerxía débese á perda de masa na reacción. Pero, que é a perda de masa? A masa dos núcleos atómicos medidos en laboratorio é menor que a suma das masas das súas nucleones, coñecidos como protón e neutrón nucleón, e a esta diferenza de masa denomínaselle perda de masa. For example, in the laborating assumption of 4 ₂ Hei mass 4.0015 amu (amu = unit. atómica de masa = 1.66077x x10 ^-27 kg. É a unidade utilizada paira medir a masa dos átomos).

Pola súa banda, a suma das masas das súas dúas protones e dous neutróns é de 4,032 amus. Así pois, si xerásemos o núcleo de helio combinando o seu catro compoñentes, teriamos una perda de masa de 0,0305 amu. Onde está esa masa?. E = m obtido por ALBERT EINSTEIN paira responder a esta pregunta. Debemos ir á ecuación c ^2. Esta ecuación permite a xeración de enerxía por masa e viceversa. Segundo a ecuación anterior, a masa de 0,0305 amu equivale a unha enerxía de 28,3 MeV. The mass perding at generation of ⁴ ₂ Hei is liberated as energy.

Cando se descubriu que esta perda de masa produce enerxía, produciuse una investigación de fusión. Os experimentos realizados neste campo foron moi numerosos. Nas fusións nucleares investigadas, a máis rendible é a intermedia entre o deuterio do hidróxeno e os isótopos de tritio, xa que é a que maior cantidade de enerxía achega.

O problema que atopamos na investigación das reaccións de fusión é, entre outros, o de superar a barreira electrostática. Lembremos que, segundo a electrostática, as cargas do mesmo signo repélense entre si, e canto máis próximas estean as dúas cargas, maior é a forza repelente que sofren. Por tanto, se se quere levar a cabo o proceso de fusión de ambos os núcleos é necesario superar a forza repulsiva. Paira eles necesitaremos millóns de graos de temperatura e moita presión. No caso da reacción de fusión Deuterio-Tritio, por exemplo, requírese una temperatura de 108ºC. A pesar de que os investigadores que traballan nos Centros de Investigación de Fusión están a tentar alcanzar altas temperaturas e presións, os resultados non son satisfactorios.

Devandito isto, o físico americano STEVEN JONES participou na reunión convocada pola “American Physical Society” o 24 de abril de 1986, afirmando que, baseándose nos seus experimentos, conseguira culminar o proceso de fusión a unha temperatura duns 100C. Segundo el, se puidésemos substituír o electrón dun dos dous átomos de hidróxeno que interveñen na reacción de fusión por unha partícula denominada muón, a fusión produciríase a unha temperatura moito menor. Por tanto, poderiamos dicir que a reacción de fusión é catalizada polo muón.

O muón atopouse na radiación cósmica en 1936. A seguinte táboa mostra que o electrón e o muón son moi similares.

Esta táboa mostra a similitude entre o muón e o electrón.

O muón é moi inestable, como o demostra o valor da súa vida media, 207 veces máis pesado que o electrón. Por esta última propiedade coñéceselle como electrón pesado.

A verdade é que o que propón Jones non é una idea nova; fai uns corenta anos F.C. da Universidade de Bristol. O físico FRANK suxeriu que o muón podía catalizar a fusión.

Vexamos que ocorre ao substituír o electrón por un muón. Como é sabido, o radio do átomo é inversamente proporcional á masa. Por tanto, o átomo de hidróxeno con muón se interiorizaría unhas 200 veces máis que o de electrón e o muón estaría moito máis cerca do núcleo. Como consecuencia diso, o muón disfraza a carga positiva do núcleo e a forza repelente entre este núcleo e outro núcleo parece menos intensa, superando máis facilmente a barreira electrostática. Por tanto, non necesitamos quentar até altas temperaturas nucleares.

Aínda que este método supón un gran avance no campo da fusión, non debemos pensar que limpamos todos os problemas. A verdade é que todo o que se mencionou até agora é teoría e si leva á práctica haberá que dar solucións a problemas tecnolóxicos.

Vexamos F.C. Frank explica a reacción de fusión catalizada por muones. O proceso de fusión desenvolvido por Frank desenvólvese en catro pasos:

1. paso: O muón expulsa o electrón do átomo de hidróxeno da súa órbita, formando hidróxeno con muón.
2. paso: En caso de existir un deuterio ou núcleo de tritio ao redor do átomo de hidróxeno con muón, este pasaría do hidróxeno ao deuterio ou tritio, xa que ao gravar os muones ao redor dun núcleo máis pesado estaría nun orbital de menor enerxía. Lembremos que segundo a termodinámica todos os sistemas físicos, e no noso caso os muones, tenden a un estado ou nivel de menor enerxía. Así que conseguimos un deuterio con muón.
3. paso:
   Dado que o cerro atópase moi preto do seu núcleo actual, a súa carga negativa disfraza a carga positiva do núcleo, con maior facilidade paira superar a forza repelente electrostática. Entón, o deuterio con muón e algún átomo de hidróxeno próximo poderían chocar entre si. Como consecuencia da colisión, o electrón do átomo de hidróxeno sería expulsado polo muón e mediante este uniríanse o deuterio e o protón formando a mesomolécula.
   Ambos os núcleos atópanse moi próximos entre si e están a vibrar, polo que se atopan nunha excelente oportunidade paira superar a barreira electrostática e fusionar.
4. paso: Neste
   último paso, representado por Frank, o cerro desaparecería por desintegración ou absorción do núcleo, creando un núcleo de ³ Hei. Por tanto, a fusión completouse.

PUNTO DE INCENDIO. A compresión dos núcleos dos isótopos tritio e deuterio do hidróxeno permite a súa fusión. Como consecuencia, extráese un núcleo de helio, un neutrón libre e una gran cantidade de enerxía. A imaxe da páxina seguinte mostra que, no caso de que a presión exterior sexa continua, o neutrón libre choca contra outros núcleos, logrando a fusionarización.

Segundo os cálculos de Frank, o conxunto de reaccións descritas prodúcese en 10-12 s. A vida media do muón é de ^{2,2.10 -6} s, o que permite completar o proceso, xa que antes da desaparición do muón prodúcese a fusión.

Cando todo isto fíxose público, foi considerado como una invención. Até 1956 esta teoría non tivo as súas primeiras bases experimentais. Cando un grupo de científicos de Berkeley, baixo a dirección do físico LUÍS ALVAREZ, investigaba as características das partículas chamadas caones, as citadas bases experimentais producíronse na cámara de burbullas. Digamos que a cámara de burbullas é un detector de partículas utilizado na Física Nuclear. Cámara de burbullas en 1952 D. A. GLASER e L. Creada pola O{. Á cámara introdúcese un líquido cunha temperatura próxima ao seu punto de ebulición. Ao diminuír a presión sobre o líquido diminúe a súa temperatura de ebulición.

Se a presión diminúe suficientemente, conseguiremos que a temperatura de ebulición sexa menor que a do líquido, arrastrando o líquido ao estado de sobrecalentamiento. Cando o líquido está en estado de sobrecalentamiento, é volátil e en caso de ter un centro de evaporación, como partículas sólidas ou iones, se evapora. Por tanto, se as partículas ionizantes atravesan o líquido nestas condicións, formaranse burbullas de gas ao redor dos iones. As burbullas de gas mostrarían o percorrido da partícula e medindo a curvatura do percorrido pódese identificar ás partículas e a enerxía á que pertencen. Luís Alvarez utilizou hidróxeno líquido e levouno ao estado de sobrecalentamiento.

Os investigadores dos laboratorios nos que actualmente se realizan as sesións de fusión utilizan ferramentas moi avanzadas.

A continuación, fixo pasar un xogo de caones a través do hidróxeno líquido da cámara de burbullas, medindo a curvatura no percorrido dos iones, identificando ademais dos caones os muones. Lembremos que as gaivotas son partículas inestables e a súa descomposición dá lugar, entre outras cousas, á formación de muones. Por outra banda, o hidróxeno da cámara contiña deuterio nunha proporción de 1/50.000. Estas son as condicións que se deben cumprir para que se produza o proceso de fusión representado por Frank. As condicións paira o proceso de fusión de Frank parecen reunirse o novembro.

Pero como a reacción de fusión entre deuterio e tritio dá máis cantidade de enerxía, os científicos propuxeron que o método de Frank podería utilizarse paira a reacción D-T.

I.T. PONOMAREV e S.S. Os investigadores soviéticos GERSTEIN propuxeron que a reacción D-T podíase catalizar da seguinte maneira: ao principio o muón adhírese ao núcleo de tritio. Se o tritio con muón está preto de una molécula deuterio, formaríase una especie de supermolécula na que o deuterio e o tritio estarían unidos por un muón.

A fusión prodúcese no interior da mesomolécula, do mesmo xeito que o proceso descrito anteriormente, pero hai una diferenza evidente: neste caso a mesomolécula fórmase máis rapidamente, polo que a fusión prodúcese máis rapidamente. A continuación, os soviéticos analizaron a factibilidad do proceso descrito e estimaron que, antes da desintegración do muón, máis de 100 reaccións podían ser catalizadas. Segundo os cálculos teóricos realizados, ante a posibilidade de levar a cabo un proceso de fusión por muones, os investigadores comezaron a analizar a rendibilidade enerxética do proceso.

En 1983 Steven Jones e o seu equipo de investigación realizaron experimentos nos que se mediron 80 D-T de reaccións de fusión de medula. A pesar de ser una boa cantidade, era moi pequena desde o punto de vista da rendibilidade enerxética, xa que a enerxía gastada no proceso era superior á obtida. Aínda que existen varias vías paira conseguir o muón, adoitan obterse por desintegración da partícula chamada pión, o método máis rendible e mellor. Os piones proceden de choques internucleones, xeralmente entre núcleos de carbono e protones. Digamos que se necesita una cantidade de enerxía de 5 GeV na obtención do muón descrito e que das 80 reaccións de fusión de D-T medidas por Steven Jones nos seus experimentos, pódese obter una cantidade de enerxía de 1,4 GeV. Por tanto, deberían producirse entre 300 e 400 reaccións de fusión no muón para rendibilizar o proceso. Aquí tes a competición.

Os físicos viron a necesidade de mellorar as sesións. Nas sesións celebradas por físicos da Universidade de Idaho, conseguíronse 170 fusións do muón e espérase que consigan o dobre. Ademais, os físicos teóricos han anunciado uns resultados moi satisfactorios e afirman que, mellorando os experimentos e a técnica, poderíanse conseguir 103 reaccións de fusión no muón. Doutra banda, están a investigarse métodos paira obter os muones cun menor custo enerxético.

A reacción que achega maior cantidade de enerxía é a reacción de fusión D-T. O muón cataliza a reacción e a través del únense os núcleos de deuterio e tritio formando una mesomolécula na que se produce o proceso de fusión.

Una fusión fría?

Ante estes prognósticos, outros investigadores que traballan no campo da fusión enchéronse de coraxe e comezaron con forza as súas sesións de fusión. Os obxectivos de investigación céntranse no proceso de fusión realizado a temperatura ambiente, é dicir, no que actualmente se coñece como fusión fría. De feito, STANLEY PONS e MARTIN FLEISCHMANN deron a coñecer en rolda de prensa celebrada o pasado 23 de marzo na Universidade de Utah en Estados Unidos o proceso de fusión levado a cabo recentemente. Estes investigadores completaron o experimento a unha temperatura de 27ºC e afirmaron que co uso dos electrodos de paladio e platino conseguiran a fusión de átomos deuterio nunha cuba electrolítica chea de auga pesada (D2O).

Na rolda de prensa non se deu moita precisión e díxose que os resultados se publicarían na revista "Nature" o día de maio deste ano. A semana seguinte Steven Jones, na súa conferencia ofrecida na Universidade de Columbia en Estados Unidos, deu a coñecer os últimos experimentos no campo da fusión fría e expuxo o seu resultados S. Pons e M. Son máis fiables que os de Fleischmann, a pesar de conseguir una menor cantidade de enerxía.

Lembremos que Steven Jones dedicou estes últimos 5 anos á investigación da fusión fría. Os seus resultados publicaranse tamén na revista "Nature". Por tanto, teremos que esperar a maio. S. Pons e M. Os Fleischmann traballaron durante os últimos 40 anos no campo da fusión, a pesar da fusión de hidróxeno. Tres investigadores coñécense e no seu día os estudos de fusión levaron a cabo no mesmo laboratorio e xuntos, pero un sabe por que se separaron e estiveron moi competitivos entre eles.

Tras coñecer o experimento, varios investigadores comezan a realizar predicións, como xa se dixo antes, S. Pons e M. Verificar o proceso de fusión de Fleischmann. Ante os resultados anunciados por STEPHEN DEAN, coodinador de investigadores de enerxía de fusión en Estados Unidos, Pons e Fleischmann, sorprendeuse, xa que algúns físicos da Universidade de Brighmann Joung realizaron o mesmo experimento e Pons e Fleischmann non conseguiron outra enerxía. S. Segundo Dean, este método non permite grandes cantidades de enerxía.

ROBERT PARK, membro da Organización de Física de Estados Unidos, expresou o seu descoñecemento de como realizaron as súas medicións. Un átomo de tritio e un protón na primeira metade da fase de fusión de dous átomos de deuterio —R. Paira Park créanse e no outro centro fórmase un átomo de Hei (4) e un protón. A dirección do neutrón producido e os espectros enerxéticos, polo menos debido á existencia ou non dunha fusión. Na súa opinión, os raios X poden causar interferencias xa que proporcionan a mesma cantidade de enerxía e dirección de neutróns.

S utilizaron o utillaje tan simple como aparece na imaxe. Pons e M. Fleischmann paira realizar a súa sesión de fusión.

Investigadores da Organización da Enerxía Atómica do Gran Bretaña, baixo a dirección de DAVID WILLIAMS, realizaron nos últimos días as probas necesarias. Pons e M. Paira ver a fiabilidade do programa de Fleischmann. As sesións realizáronse no centro de Harwell e non atoparon neutróns. En realidade, a presenza de neutróns é imprescindible paira demostrar a fusión. Nos últimos 50 anos Estados Unidos gastou miles de millóns de pesetas no sector da fusión. Paira a aceptación da fusión dos átomos de hidróxeno utilizáronse todo tipo de métodos, como o confinamento magnético, o láser. Por tanto, non é de estrañar que o físico estea desconfiado dos resultados obtidos polos dous químicos cun instrumental moi sinxelo.

Eritzi eritzi, S. Pons e M. Paira coñecer as incidencias do experimento de Fleischmann, como xa se dixo, teremos que esperar a que o publique a revista "Nature". Pero parece que ocorre así: fan pasar a corrente eléctrica a través da auga pesada. A corrente eléctrica disocia a auga pesada con iones 0= (osíxeno) e D+ (deuterio). Entón, os iones positivos D+ diríxense ao electrodo negativo de paladio (cátodo). Cando no cátodo acumúlase una gran cantidade de iones D+, a outra opción é que os iones deuterio, ao estar moi preto do batcher, fusiónense.

Con todo, os produtos de reacción poden ser de distinta natureza. Por exemplo, pódese formar un núcleo de helio (4) e una enerxía neutra de 3.25 MeV. Por outra banda, é posible que se forme un átomo de tritio e un protón de 4 MeV, que despois reaccione cun átomo de deuterio, dando un núcleo de helio (4) e un neutrón de 17,.5 MeV. Os investigadores non se pon de acordo. Algúns creen que se produce a primeira reacción e outros din que é a segunda. Como se observa, non hai falta de ideas e a curto prazo o ser humano poderá controlar una enorme enerxía dentro do proceso de fusión.

Paira terminar, quixese dedicar estas últimas palabras á Física de Partículas, para que o lector fíxese nas posibilidades de uso desta disciplina. Como é sabido, desde que se descubriu o electrón, o protón e o neutrón que forman o átomo, ao longo da historia da actividade física atopáronse outras partículas (muón, caón, pion, positrón, ...). Cando se descubría una nova partícula, o físico alegrábase polo descubrimento que se obtiña por unha banda, e por outro, vían o mundo cada vez máis complicado. Así naceu a física de partículas e o seu uso até o momento limitouse á cosmología e á astrofísica, pero esperamos que teña un uso práctico non só como fonte de enerxía tan necesaria e práctica paira o ser humano, senón tamén paira outras necesidades humanas.

Nota: este artigo redactouse a mediados de abril e trataremos de informar as noticias que se van a producir desde entón sobre este tema.

Nesta imaxe F. C. Explícanse os catro pasos do proceso de fusión indicado por FRANK.
Na primeira reacción do proceso 2 libérase 4 MeV de enerxía mentres que na segunda libérase 3,25 MeV. Por tanto, desde o punto de vista do balance enerxético, o segundo proceso sería o máis probable, xa que é o que xera maior cantidade de enerxía. Con todo, teremos que esperar até maio, paira coñecer os detalles do experimento de Pons e Fleischmann, paira saber cal dos dous procesos ocorre.