La fusión nuclear es una reacción nuclear en la cual dos o más núcleos atómicos chocan a una velocidad muy alta y se unen para formar un nuevo tipo de núcleo atómico. Durante este proceso, la materia no es conservada porque una parte de la masa de los núcleos que alcanzan la fusión es convertida en energía en forma de fotones. La fusión es el proceso que mantiene las estrellas vivas.
La fusión de dos núcleos con las masas más bajas que el hierro (que, junto con el níquel, que tiene la mayor energía de enlace por núcleo) generalmente libera energía, mientras que la fusión de núcleos más pesados que el hierro absorbe energía. Lo contrario ocurre para el proceso inverso que conocemos como fisión nuclear.
En general podemos decir que la fusión nuclear ocurre solamente con los elementos más ligeros, y del mismo modo, la fisión ocurre generalmente solamente para los elementos más pesados. Hay fenómenos astrofísicos extremos que pueden conducir a períodos cortos de fusión con núcleos más pesados. Este es el proceso que da lugar a la nucleosíntesis, la creación de elementos pesados, durante eventos como supernovas.
En una reacción de fusión, pequeñas cantidades de materia dan lugar a enormes cantidades de energía: 3.136 x 10-29 kg de combustible originan 17,59 MeV (megaelectronvoltio). Comparando con las reacciones químicas, 1 millón de veces menos poderosas que las nucleares, se tiene, por ejemplo, que cerca de un litro de combustible de fusión produce la misma energía que 6.600 toneladas de carbón. La producción comercial de energía eléctrica a partir de la fusión de átomos leves, tal como sucede en el Sol y en las estrellas, podrá a disposición del hombre una fuente alternativa de energía de gran escala, con bajo impacto ambiental.
Principios básicos de la fusión nuclear
Para lograr una reacción de fusión es necesario aproximar dos núcleos que, debido a tener carga de la misma señal (positiva), tiene tendencia a repelerse. Para superar esta barrera natural y llegar a la zona muy próxima del núcleo donde se manifiestan las fuerzas nucleares, es necesario que los núcleos posean una energía considerable.
La fusión exige, por eso, que el medio que reacciona posea temperaturas muy elevadas, típicamente del orden de 100 millones de grados Celsius (10 keV). A temperaturas tan elevadas, los electrones se separan de los núcleos y la materia queda en el estado de plasma. El plasma es un medio ionizado, con comportamiento colectivo y macroscópicamente neutro, que existe en la naturaleza bajo diversas formas; en realidad, 99% de la materia del Universo se encuentra en la forma de plasma, el cuarto estado de la materia.
Combustible de fusión nuclear
La reacción de fusión más fácil de conseguir actualmente en la Tierra es la que envuelve el deuterio (D) y tritio (T), dos isótopos del hidrógeno. Esta mezcla ya fue usada en dos dispositivos experimentales de fusión, Tokamak Fusion Test Reactor (TFTR), en los Estados Unidos y JET (Joint European Torus), en Europa.
D+T → 4He+n+17,58 MeV
El combustible primario de la fusión son litio y deuterio, una vez que tritio se obtiene del litio, en el interior del propio reactor.
Condiciones para la obtención de energía de fusión nuclear
Para que la fusión pueda utilizarse como fuente de energía es necesario que, además de la temperatura alta, el plasma quede confinado el tiempo suficiente para garantizar que el conjunto de partículas cargadas sufra un número suficiente de reacciones de fusión. Se define un tiempo de confinamiento, de energía, π, como el tiempo que el plasma caliente lleva a perder su energía (por radiación, convección y conducción), cuando se cortan abruptamente sus fuentes de calentamiento.
El tiempo π caracteriza, de cierta forma, el aislamiento térmico del plasma. Para que la fusión sea rentable desde el punto de vista energético, es todavía necesario que la energía producida por las reacciones de fusión exceda largamente las pérdidas térmicas del plasma. Esta condición impone un límite inferior al producto de densidad (ne) por el tiempo de confinamiento de energía (π), dado por el criterio de Lawson:
ne π > f (Q)
Donde Q, factor de amplificación de potencia y la relación entre la potencia de fusión producida y la potencia de calefacción (exterior) suministrada al plasma. La igualdad Q = 1 significa que la potencia generada por el plasma es igual a la potencia que le es proporcionada del exterior. Este estado, conocido como break-even, es aproximado en los dispositivos experimentales actuales con mejor desempeño (Q = 0,6 no JET). El valor Q = ∞ significa que la potencia exterior dada al plasma es nula. En este caso, el plasma es autosostenido se dice que alcanzó la ‘ignición’.
