¿Alguna huella de fusión?

2002/05/01 Roa Zubia, Guillermo - Elhuyar Zientzia Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Energia

Los combustibles fósiles no serán para siempre. El petróleo y el carbón han sido quemados durante mucho tiempo y terminarán alguna vez. Por ejemplo, en la creencia de que el petróleo estaba a punto de terminar, se han producido crisis en el ámbito energético. Sin embargo, buscando más o menos en profundidad siempre se ha encontrado alguna otra fuente hasta ahora, pero como nuestro consumo es cada vez mayor, ¿hasta cuándo se prolongará esta situación? Hay quien dice que el combustible fósil se agotará hacia el año 2200.

Existen dos tipos principales de combustibles alternativos: las energías renovables y la nuclear. Las renovables (solar, eólica, hidrotermal, etc.) son ambientalmente excelentes, por lo que se invierte mucho dinero en esta tecnología. Sin embargo, las renovables aún no están dispuestas a hacer frente al consumo de nuestra sociedad. Por tanto, en muchos pueblos se ha hecho una apuesta clara por la energía nuclear.

Fisión y fusión

¿Utilizar energía nuclear es una buena solución? El debate está a tope, porque desde un punto de vista está claro que sí y desde otro claro que no. Las centrales nucleares permiten producir más energía de la necesaria para nuestro consumo, pero los productos que intervienen en el proceso y los residuos radiactivos que genera son altamente peligrosos. Sin embargo, cuando hablamos de energía nuclear, hablamos de la fisión nuclear en general. Pero hay otro proceso nuclear, la fusión. ¿Qué son ambos?

Ambos tienen que ver con el núcleo del átomo. La fisión es "romper" grandes núcleos. Por ello, la materia prima para este proceso es el uranio, el átomo más grande de la naturaleza. Sin embargo, no todos los núcleos de uranio son fácilmente fisionables: los isótopos radiactivos son imprescindibles para llevar a cabo este proceso. El uranio se "enriquece" en estos isótopos. Otra solución es hacer artificialmente átomos más pesados que el uranio, como el plutonio. Todos los isótopos del plutonio son radiactivos, un elemento único para la elaboración de bombas atómicas. En las centrales de producción de electricidad, sin embargo, la fisión tiene grandes problemas, debido principalmente a que los residuos que salen del reactor son también radiactivos.

El uso de la fisión nuclear en centrales genera muchos problemas de seguridad y residuos.

La fusión es un proceso opuesto, es decir, la unión y unión de dos pequeños átomos. La energía liberada por este proceso es mucho mayor que la de la fisión, además de tener como materia prima pequeños átomos no peligrosos, unos isótopos del hidrógeno. Este tipo de hidrógeno, llamado deuterio, es muy abundante en el mar. Sin embargo, para que se produzca la fusión hay que darle una energía extra. La cantidad resultante es mucho mayor, pero la activación del proceso requiere mucha energía. Por ejemplo, las bombas de hidrógeno que se desarrollaron tras la Segunda Guerra Mundial (es decir, las bombas de fusión) debían utilizar una pequeña bomba de fisión para "ponerlas en marcha". Esto significa que para hacer estallar la bomba H debe tomar energía de activación de otra bomba como la que se lanzó en Hiroshima.

Investigación energética

Por ello, no era posible explotar la fusión para producir electricidad. Si la fusión se pudiera producir a una temperatura controlable, se podría solucionar el problema de las centrales nucleares convencionales. Son muchos los proyectos que tienen que ver con esta investigación: JET en la Unión Europea, JT-60U en Japón y NOVA, TFTR y DIII-D en Estados Unidos.

En 1985, la Unión Soviética propuso un proyecto internacional de investigación de la fusión. Este proyecto, denominado ITER, fue lanzado en colaboración con la Unión Europea, Japón y Estados Unidos. El objetivo era investigar el siguiente paso lógico de las investigaciones de la época: estudiar la física del plasma a alta temperatura en la escala de los grandes reactores. Proyecto en curso. Según los resultados obtenidos, además de provocar la fusión, esperan adaptarse para producir electricidad.

Explosión atómica.

En 1992 Canadá y Kazakhstán también se incorporaron al proyecto de la mano de Europa y Rusia, que ya había desaparecido de la Unión Soviética. Estados Unidos abandonó el proyecto a finales de 1999.

En general, se han probado tres estrategias de fusión. La gran energía de activación es para superar las fuerzas de repulsión internucleares, cargados positivamente y difíciles de colisionar, que de alguna manera deben ser 'forzados' para ir al mismo lugar. Las tres formas habituales de conseguirlo son las de campo magnético, campo gravitatorio y momento de inercia.

El Sol, por ejemplo, fusiona los átomos de hidrógeno porque su campo gravitatorio es muy grande. Varios experimentos han buscado crear 'estrellas de laboratorio'. Otras veces se controlan con grandes campos magnéticos para que los átomos puedan causar el choque de los núcleos y, finalmente, han sido los medios de la gran presión ejercida por la inercia.

En estos tres tipos de experimentos los átomos se encuentran en estado de plasma, es decir, como fluidos de partículas cargadas. El plasma conduce electricidad y además puede controlarse mediante campos magnéticos. Antes de conocer la investigación final, sólo se consideraba adecuada esta situación de fusión.

Esquema del último experimento diseñado para provocar la fusión.

Ciencia

Experimentos sorprendentes

Los físicos Martin Fleischmann y Stanley Pons anunciaron en 1989 que logró una fusión fría (a temperatura de laboratorio). El anuncio no se realizó en publicaciones científicas sino en medios habituales. Además, el experimento no pudo repetirse, por lo que esta investigación se consideró un gran fracaso.

En marzo, la revista Science ha dado a conocer un experimento de fusión fría. El físico estadounidense Rusi Taleyarkhan, del laboratorio Oak Ridge, introdujo la acetona con deuterio en lugar de hidrógeno en un recipiente cilíndrico y la bombardeó mediante ondas sonoras. Al mismo tiempo, bombardeó sobre todo una gama de neutrones de alta velocidad. De esta forma se formaron burbujas de un milímetro de diámetro que interaccionaron con deuterios que supuestamente se convirtieron en fusión. Esta técnica, denominada cavitación acústica, es independiente de las técnicas utilizadas anteriormente.

Número de la revista Science en la que se ha publicado el último experimento.

Dos átomos de deuterio crean, por fusión, un átomo de helio y un neutrón. Pero eso no es lo que han visto los científicos. De hecho, en un mismo proceso pueden formarse tritio y protones, pero sin que se produzca una fusión. Los investigadores afirman que se han producido neutrones y tritio, es decir, que se han producido ambas reacciones, por lo que anuncian que se ha producido una fusión.

Uno de los productos del experimento ha sido el neutrón, pero el otro el tritio. Por lo tanto, la pregunta ha quedado en el aire. ¿La fusión ha ocurrido realmente o sólo ha surgido tritio?

Los editores de la revista Science deciden publicar el artículo. ¿Creen, por tanto, que la fusión se produjo realmente? Esta revista, como todas las revistas de investigación, no publica artículos sin el juicio de expertos en la materia. Así lo ha hecho la revista Science con el artículo de la fusión.

Estos expertos solicitaron la detección de neutrones con un detector más preciso. Entonces, los físicos estadounidenses Dan Shapira y Michael Saltmarsh intentaron repetir el experimento de Taleyarkhan con este detector y no detectaron neutrones. Concluyeron que no se produce fusión. Pero otros científicos también han criticado este último experimento.

Se decidió informar en la revista Science de la fusión fría, decisión que se justifica en la editorial. El editor Donald Kennedy explica la polémica suscitada. Aceptando este debate, los editores han defendido la necesidad de informar de este tipo de investigaciones y que en estos casos los criterios no deben ser muy estrictos.

Science ha dicho, pero el debate está vivo.

El Sol sabe cómo hacerlo

La fusión en las estrellas es fácil. De hecho, los combustibles son grandes cantidades de hidrógeno, en los que poco a poco se van formando nuevos elementos atómicos. En la reacción de fusión más proporcional se genera el helio a partir de los átomos de hidrógeno.

Para obtener el helio a partir del hidrógeno se producen tres reacciones de fusión:

La unión de dos protones en el primero da lugar a un núcleo deuterio, es decir, a una estructura de protones neutrones. Esto significa que un protón se ha convertido en neutrón, proceso que se compensa por la liberación de un positrón y energía. En definitiva, un trozo de materia se ha convertido en energía.

Para ver esta foto puedes ir al pdf.

El deuterio formado en la primera reacción reacciona con otro protón en la segunda para formar un núcleo del átomo helio-3. En este proceso también se libera energía en forma de calor y radiación (rayos gamma). Helio-3 no es el isótopo más estable del helio, pero el proceso no se interrumpe. La tercera reacción consiste en la reorganización entre dos núcleos de helio-3, un único helio-4, para suministrar dos protones y energía.

Se libera energía en los tres procesos. Hay que tener en cuenta que para que se produzca la tercera reacción los dos anteriores han tenido que ocurrir dos veces. La mayor parte es energía térmica, pero también se genera radiación gamma. Esta energía procede de la materia, como anunciaba la teoría especial de la relatividad de Einstein.

E = mc 2

Esta fórmula permite calcular fácilmente que un gramo de materia, cuando se transforma en energía, libera 9 x 10-13 julios.

E = (10 -3 kg) (3 x 10 8 m/s 2 ) 2 = 9 x 10 -13 julios

Aunque este número es difícil de interpretar, con otras comparaciones se puede apreciar que es una gran cantidad de energía. Si la fusión se hiciera a partir del deuterio y ese deuterio fuera de aguas marinas, 50 vasos de agua de mar aportarían una energía equivalente a 2 toneladas de carbón.

Las cantidades de energía se producen en esas proporciones en el Sol y estrellas similares. Pero en el laboratorio los científicos han tratado durante años de influir en la fusión a partir de los átomos de deuterio y tritio. Como ya se ha indicado, el deuterio se encuentra en aguas marinas y el tritio se puede obtener del litio metal bombardeando con neutrones.

Ahora, en el experimento del laboratorio Oak Ridge se ha partido de la acetona deuterada para provocar la fusión. Aunque lo han conseguido, han producido mucha menos energía de la que se obtiene a partir del deuterio y del tritio, aproximadamente una cuarta parte.