Algunha pegada de fusión?

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

• Energia

Os combustibles fósiles non serán paira sempre. O petróleo e o carbón foron queimados durante moito tempo e terminarán algunha vez. Por exemplo, na crenza de que o petróleo estaba a piques de terminar, producíronse crise no ámbito enerxético. Con todo, buscando máis ou menos en profundidade sempre se atopou algunha outra fonte até agora, pero como o noso consumo é cada vez maior, até cando se prolongará esta situación? Hai quen di que o combustible fósil esgotarase cara ao ano 2200.

Existen dous tipos principais de combustibles alternativos: as enerxías renovables e a nuclear. As renovables (solar, eólica, hidrotermal, etc.) son ambientalmente excelentes, polo que se inviste moito diñeiro nesta tecnoloxía. Con todo, as renovables aínda non están dispostas a facer fronte ao consumo da nosa sociedade. Por tanto, en moitos pobos fíxose una aposta clara pola enerxía nuclear.

Fisión e fusión

Utilizar enerxía nuclear é una boa solución? O debate está a lume de biqueira, porque desde un punto de vista está claro que si e desde outro claro que non. As centrais nucleares permiten producir máis enerxía da necesaria paira o noso consumo, pero os produtos que interveñen no proceso e os residuos radioactivos que xera son altamente perigosos. Con todo, cando falamos de enerxía nuclear, falamos da fisión nuclear en xeral. Pero hai outro proceso nuclear, a fusión. Que son ambos?

Ambos teñen que ver co núcleo do átomo. A fisión é "romper" grandes núcleos. Por iso, a materia prima paira este proceso é o uranio, o átomo máis grande da natureza. Con todo, non todos os núcleos de uranio son facilmente fisionables: os isótopos radioactivos son imprescindibles paira levar a cabo este proceso. O uranio enriquécese" nestes isótopos. Outra solución é facer artificialmente átomos máis pesados que o uranio, como o plutonio. Todos os isótopos do plutonio son radioactivos, un elemento único paira a elaboración de bombas atómicas. Nas centrais de produción de electricidade, con todo, a fisión ten grandes problemas, debido principalmente a que os residuos que salguen do reactor son tamén radioactivos.

A fusión é un proceso oposto, é dicir, a unión e unión de dous pequenos átomos. A enerxía liberada por este proceso é moito maior que a da fisión, ademais de ter como materia prima pequenos átomos non perigosos, uns isótopos do hidróxeno. Este tipo de hidróxeno, chamado deuterio, é moi abundante no mar. Con todo, para que se produza a fusión hai que darlle una enerxía extra. A cantidade resultante é moito maior, pero a activación do proceso require moita enerxía. Por exemplo, as bombas de hidróxeno que se desenvolveron tras a Segunda Guerra Mundial (é dicir, as bombas de fusión) debían utilizar una pequena bomba de fisión paira "polas en marcha". Isto significa que paira facer estalar a bomba H debe tomar enerxía de activación doutra bomba como a que se lanzou en Hiroshima.

Investigación enerxética

Por iso, non era posible explotar a fusión paira producir electricidade. Si a fusión puidésese producir a unha temperatura controlable, poderíase solucionar o problema das centrais nucleares convencionais. Son moitos os proxectos que teñen que ver con esta investigación: JET na Unión Europea, JT-60Ou en Xapón e NOVA, TFTR e DIII-D en Estados Unidos.

En 1985, a Unión Soviética propuxo un proxecto internacional de investigación da fusión. Este proxecto, denominado ITER, foi lanzado en colaboración coa Unión Europea, Xapón e Estados Unidos. O obxectivo era investigar o seguinte paso lóxico das investigacións da época: estudar a física do plasma a alta temperatura na escala dos grandes reactores. Proxecto en curso. Segundo os resultados obtidos, ademais de provocar a fusión, esperan adaptarse paira producir electricidade.

En 1992 Canadá e Kazakhstán tamén se incorporaron ao proxecto da man de Europa e Rusia, que xa desaparecera da Unión Soviética. Estados Unidos abandonou o proxecto a finais de 1999.

En xeral, probáronse tres estratexias de fusión. A gran enerxía de activación é paira superar as forzas de repulsión internucleares, cargados positivamente e difíciles de chocar, que dalgunha maneira deben ser 'forzados' paira ir ao mesmo lugar. O tres formas habituais de conseguilo son as de campo magnético, campo gravitatorio e momento de inercia.

O Sol, por exemplo, fusiona os átomos de hidróxeno porque o seu campo gravitatorio é moi grande. Varios experimentos buscaron crear 'estrelas de laboratorio'. Outras veces contrólanse con grandes campos magnéticos para que os átomos poidan causar o choque dos núcleos e, finalmente, foron os medios da gran presión exercida pola inercia.

Neste tres tipos de experimentos os átomos atópanse en estado de plasma, é dicir, como fluídos de partículas cargadas. O plasma conduce electricidade e ademais pode controlarse mediante campos magnéticos. Antes de coñecer a investigación final, só se consideraba adecuada esta situación de fusión.

Experimentos sorprendentes

Os físicos Martin Fleischmann e Stanley Pons anunciaron en 1989 que logrou una fusión fría (a temperatura de laboratorio). O anuncio non se realizou en publicacións científicas senón en medios habituais. Ademais, o experimento non puido repetirse, polo que esta investigación considerouse un gran fracaso.

En marzo, a revista Science deu a coñecer un experimento de fusión fría. O físico estadounidense Rusi Taleyarkhan, do laboratorio Oak Ridge, introduciu a acetona con deuterio en lugar de hidróxeno nun recipiente cilíndrico e bombardeouna mediante ondas sonoras. Ao mesmo tempo, bombardeou sobre todo una gama de neutróns de alta velocidade. Desta forma formáronse burbullas dun milímetro de diámetro que interaccionaron con deuterios que supostamente se converteron en fusión. Esta técnica, denominada cavitación acústica, é independente das técnicas utilizadas anteriormente.

Dous átomos de deuterio crean, por fusión, un átomo de helio e un neutrón. Pero iso non é o que viron os científicos. De feito, nun mesmo proceso poden formarse tritio e protones, pero sen que se produza una fusión. Os investigadores afirman que se produciron neutróns e tritio, é dicir, que se produciron ambas as reaccións, polo que anuncian que se produciu una fusión.

Un dos produtos do experimento foi o neutrón, pero o outro o tritio. Por tanto, a pregunta quedou no aire. A fusión ocorreu realmente ou só xurdiu tritio?

Os editores da revista Science deciden publicar o artigo. Creen, por tanto, que a fusión se produciu realmente? Esta revista, como todas as revistas de investigación, non publica artigos sen o xuízo de expertos na materia. Así o fixo a revista Science co artigo da fusión.

Estes expertos solicitaron a detección de neutróns cun detector máis preciso. Entón, os físicos estadounidenses Dan Shapira e Michael Saltmarsh tentaron repetir o experimento de Taleyarkhan con este detector e non detectaron neutróns. Concluíron que non se produce fusión. Pero outros científicos tamén criticaron este último experimento.

Decidiuse informar na revista Science da fusión fría, decisión que se xustifica na editorial. O editor Donald Kennedy explica a polémica suscitada. Aceptando este debate, os editores defenderon a necesidade de informar deste tipo de investigacións e que nestes casos os criterios non deben ser moi estritos.

Science dixo, pero o debate está vivo.

O Sol sabe como facelo

A fusión nas estrelas é fácil. De feito, os combustibles son grandes cantidades de hidróxeno, nos que aos poucos se van formando novos elementos atómicos. Na reacción de fusión máis proporcional xérase o helio a partir dos átomos de hidróxeno.

Paira obter o helio a partir do hidróxeno prodúcense tres reacciones de fusión:

A unión de dúas protones no primeiro dá lugar a un núcleo deuterio, é dicir, a unha estrutura de protones neutróns. Isto significa que un protón converteuse en neutrón, proceso que se compensa pola liberación dun positrón e enerxía. En definitiva, un anaco de materia converteuse en enerxía.

O deuterio formado na primeira reacción reacciona con outro protón na segunda paira formar un núcleo do átomo helio-3. Neste proceso tamén se libera enerxía en forma de calor e radiación (raios gamma). Helio-3 non é o isótopo máis estable do helio, pero o proceso non se interrompe. A terceira reacción consiste na reorganización entre dous núcleos de helio-3, un único helio-4, paira fornecer dous protones e enerxía.

Libérase enerxía nos tres procesos. Hai que ter en conta que para que se produza a terceira reacción os dous anteriores tiveron que ocorrer dúas veces. A maior parte é enerxía térmica, pero tamén se xera radiación gamma. Esta enerxía procede da materia, como anunciaba a teoría especial da relatividad de Einstein.

E = mc 2

Esta fórmula permite calcular facilmente que un gramo de materia, cando se transforma en enerxía, libera 9 x 10-13 xullos.

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

Aínda que este número é difícil de interpretar, con outras comparacións pódese apreciar que é una gran cantidade de enerxía. Se a fusión fixésese a partir do deuterio e ese deuterio fóra de augas mariñas, 50 vasos de auga de mar achegarían una enerxía equivalente a 2 toneladas de carbón.

As cantidades de enerxía prodúcense nesas proporcións no Sol e estrelas similares. Pero no laboratorio os científicos trataron durante anos de influír na fusión a partir dos átomos de deuterio e tritio. Como xa se indicou, o deuterio atópase en augas mariñas e o tritio pódese obter do litio metal bombardeando con neutróns.

Agora, no experimento do laboratorio Oak Ridge partiuse da acetona deuterada paira provocar a fusión. Aínda que o conseguiron, produciron moita menos enerxía da que se obtén a partir do deuterio e do tritio, aproximadamente una cuarta parte.