Fusión nuclear

La fusión atómica o fusión nuclear es el proceso físico por el que varios núcleos atómicos se unen para formar un elemento atómico más pesado, durante el cual se puede desprender una gran cantidad de energía.

La cantidad de energía que se desprende en el proceso depende de los núcleos atómicos implicados. En general, la fusión de dos núcleos de menos masa atómica que el hierro libera energía, mientras que la fusión de núcleos más pesados absorbe energía.

No hay que confundir la fusión nuclear con la transmutación nuclear: la transmutación es la conversión de un elemento en otro, un término tomado de la alquimia, pero que tiene su correspondencia en la realidad. Por ejemplo, en las centrales nucleares de fisión se produce cotidianamente, cuando el Uranio 238 absorbe un neutrón (Uranio 239) y posteriormente ocurre un decaimiento beta, quedando transformado el átomo en Plutonio 239.

Fusión en la realidad:

El ejemplo más simple de fusión nuclear sería la unión de núcleos de Hidrógeno para forma Helio. Para que esto pueda ocurrir, los núcleos se tienen que acercar lo suficiente como para que la interacción nuclear fuerte supere a las fuerzas de repulsión debidas a la interacción electromagnética. Algo enormemente difícil que no ocurre en condiciones normales.

Fusión natural:

Para superar las mencionadas fuerzas de repulsión entre los núcleos atómicos (con carga positiva) se necesita aplicar enormes presiones y temperaturas. Estas condiciones se dan de manera natural en las estrellas. Todas las estrellas son, en realidad, reactores naturales que fusionan núcleos ligeros para producir otros más pesados, liberando en el proceso una gran cantidad de calor y luz.

El físico alemán Hans Bethe describió en las década de los años 30 las diferentes etapas de este proceso.

De manera simplificada, todo empezaría con la concentración en el espacio de grandes de nubes de Hidrógeno (y en menor medida, Helio). La fuerza de atracción de la gravedad iría condensando estas nubes y reuniendo en torno a las mismas una cantidad creciente de materia. Estas bolas de Hidrógeno, al hacerse cada vez mayores, irían colapsando sobre sí mismas (es decir, aumentando increíblemente la presión) hasta el punto de que los núcleos atómicos de Hidrógeno se encontrarían suficientemente cerca como para fusionarse. En ese momento crítico, la bola de hidrógeno se encendería, sería la ignición de la estrella.

En algunas estrellas de masa mayor que el Sol, la fusión de núcleos de Helio podría producir núcleos de Carbono, que actuaría como catalizador para seguir uniendo protones para formar Helio.

Esta secuencia principal de fusión de Hidrógeno produciría la acumulación del Helio en el núcleo. Cuando esta acumulación fuera suficiente (en estrellas de masa considerable) y la presión en el mismo subiera hasta el nivel adecuado, se podría producir la ignición del ciclo del Helio (para producir Carbono), pudiendo tener dos capas de fusión, una de Helio en el núcleo y otra de Hidrógeno más exterior.

De manera similar (siempre si la masa es suficiente) se produciría la ignición de sucesivos ciclos (del Carbono, del Oxígeno, del Neón y del Silicio) en los que la estrella utilizaría núcleos más pesados para la fusión.

Estos ciclos cada vez aportarían menos energía y se agotarían más rápido, con el límite en el ciclo del Silicio, que al fusionar produciría Hierro. La fusión de núcleos de hierro no libera energía, por lo que, en ese momento, el reactor que es la estrella se detendría, llevando a diferentes finales dependiendo, una vez más, de la masa de la estrella. Una estrella con suficiente masa que alcance la fase de quema de Silicio terminaría teniendo una especie de estructura de cebolla, con los elementos más pesados al centro y elementos más ligeros hacia el exterior.

La tecnología de fusión. Bombas y reactores:

Desde que entrevió la posibilidad de la enorme cantidad de energía que se podía obtener mediante el proceso de fusión, el ser humano ha intentado reproducirlo y controlarlo.

Lamentablemente, la primera reacción de fusión nuclear que se consiguió fue con uso militar, la denominada bomba de hidrógeno, una reacción de fusión descontrolada. La primera bomba de este tipo, "Mike", se hizo estallar en Eniwetok, un atolón de las Islas Marshall, el 1 de noviembre de 1952.

Conseguir una reacción controlada de fusión se ha demostrado mucho más complicado y se lleva décadas trabajando en diversos prototipos de reactores. Para conseguir superar la barrera electrostática de repulsión entre los núcleos atómicos se necesita someterlos a una gran presión, que en el núcleo de las estrellas se consigue de manera natural gracias a las fuerzas de atracción de la gravedad. Sin embargo, la presión necesaria para acercar dos núcleos de Protio, el isotopo más abundante del Hidrógeno (formado por un único protón) es excesivamente elevada para la capacidad técnica actual. Por ello, el combustible con el que se ensaya es la fusión de Deuterio y Tritio, dos isotopos diferentes del Hidrógeno, más sencillos de fusionar.

A pesar de esto, la presión necesaria para acercar lo suficiente los núcleos de Deuterio y Tritio excede la capacidad humana, por lo que se debe calentar el combustible para que el aporte de energía cinética favorezca esta aproximación entre los núcleos. Las temperaturas que se deben conseguir son del orden de 150 millones de grados centígrados, diez veces superior a las que se producen en el Sol.

En estas circunstancias, uno de los principales problemas es el del confinamiento del combustible, calentado millones de veces por encima del punto de fusión de cualquier material hasta producir un plasma. Dos son los modelos principales que se están experimentando: el confinamiento magnético y el confinamiento inercial.

Confinamiento magnético:

En el caso del confinamiento magnético, el combustible es aislado mediante campos magnéticos. En el estado de plasma, debido a la alta temperatura a la que ha sido sometido el combustible, los electrones de las corteza atómica han adquirido una alta energía cinética y se han separado de sus núcleos. Queda, por lo tanto, un plasma formado por núcleos de Deuterio y Tritio, iones de carga eléctrica positiva.

El reactor típico de este tipo de confinamiento es el denominado tokamak, por sus siglas en ruso, que significa "cámara toroidal con bobinas magnéticas", un nombre descriptivo de su función principal, la creación de un campo magnético que permite la circulación del plasma en un anillo y lo aísla de las paredes del reactor.

En este modelo, la presión se mantiene baja y la reacción de fusión se consigue elevando al temperatura para conseguir vencer la repulsión magnética.

Se trata de un reactor intrínsecamente seguro. El combustible (Deuterio y Litio, Litio que produce el Tritio deseado) es inyectado a medida que se consume en la reacción produciendo Helio. Si se deja de inyectar combustible, la reacción se detiene de manera instantánea. Tampoco produce radiación peligrosa y, al mantener el plasma aislado de las paredes del reactor, se evitan deterioros de la vasija o pérdidas de calor.

Al producirse una reacción sostenida, la fusión de Hidrógeno devuelve más energía de la empleada en calentar el plasma. Los desafíos tecnológicos que presenta esta modalidad consisten en cómo extraer esta energía producida (normalmente, calentando agua para alimentar una turbina) y cómo extraer el Helio producido para no envenenar la reacción.

Confinamiento inercial:

Otra manera de vencer la enorme repulsión electrostática es dotar a las partículas de combustible de la cantidad de movimiento suficiente. De ahí el nombre de este método, ya que trabaja aumentando al inercia del propio combustible.

De entre los diferentes métodos para aumentar la cantidad de movimiento, tiene actualmente especial relevancia el uso de láser. Simplificando mucho, se puede considerar que diversos haces de láser inciden sobre una diminuta pelota de combustible, comprimiéndola, hasta alcanzar cientos de veces la densidad inicial.

Fusión en la ciencia ficción:

En ciencia ficción la fusión nuclear está muy presente en obras que tratan de anticipar cómo será el futuro. Al considerarse una energía prácticamente inagotable y limpia, ha gozado de especial predilección en una ciencia ficción positivista y en épocas y autores con la convicción de que el desarrollo científico y tecnológico traería inevitablemente una general prosperidad.

Resulta curioso comprobar como el ser humano lleva persiguiendo esta tecnología durante décadas, teorizando siempre que se encontraba cerca de alcanzarse. En los años noventa nos encontramos, a modo de ejemplo, con la bastante prescindible Reacción en cadena (Andrew Davis, 1996), donde un estudiante da por casualidad con la puerta que abre este secreto que parecía casi a la vista.

Más de una década después, el cien se ha vuelto más conservador en sus previsiones y en Moon, (Duncan Jones, 2009) encontramos que la Luna está siendo explotada comercialmente para la obtención de deuterio para abastecer a la centrales de fusión terrestres, en un futuro que podemos suponer aún moderadamente lejano.

Cuando los autores se lanza a imaginar un futuro distante, la fusión parece ya inevitable. En muchas novelas esta tecnología juega un papel central para justificar la expansión y colonización de otros planetas. Como elemento principal de naves espaciales alimentadas con un motor de fusión o de la sofisticada idea de las estatocolectoras. Estos motores, de gran poder, son también ocasionalmente utilizados como armas, tal y como imagina Larry Niven en las guerras con los Kzin, dentro de su "universo conocido".

Otra interesante propuesta de uso para la fusión la tenemos en Marte azul, de Kim Stanley Robinson, que imagina el uso de linternas de fusión situadas en la atmósfera superior de cuerpos del sistema solar externo (oscuro por su distancia al Sol) para obtener luz.