3.2 Fusión nuclear
Es el proceso que tiene lugar cuando dos o más
núcleos (ligeros) dan lugar a otro más pesado y una o más partículas o radiación 
. Como en este proceso la masa disminuye, se
desprende la energía equivalente.
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| Imagen 29. Borb. Creative commons. |
De acuerdo con la gráfica de energía de enlace por nucleón, la unión de dos núcleos ligeros para dar otro más pesado, da lugar a un núcleo más estable que tiene mayor energía de enlace por nucleón y, por tanto, la fusión nuclear es un proceso que transcurre con conversión de la masa en energía: es un proceso exoenergético.
De hecho, el Sol («Helios») se puede considerar una gran central termonuclear de fusión en la cual se desarrollan una serie de reacciones nucleares cuyo resultado neto es:
En la fusión nuclear se requieren temperaturas muy elevadas, de centenares de millones de grados Celsius, para conseguir que los núcleos se aproximen. A estas temperaturas la materia se encuentra en estado de plasma y los núcleos tienen suficiente energía para fusionarse. Para aprovechar estas reacciones para usos pacíficos es necesario encontrar el recipiente en el cual llevarlas a cabo.
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| Imagen 30. Wykis. Dominio público. |
La reacción más fácil de conseguir parece ser la del deuterio con el tritio para formar una partícula alfa y un neutrón:
Los procedimientos para confinar el plasma son:
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Confinamiento gravitatorio. El que se produce en las estrellas. No es posible en la Tierra ya que no se puede conseguir un campo gravitatorio tan grande.
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Confinamiento magnético. Campos magnéticos obligan a los iones a mantenerse confinados en una región donde se produce la fusión. En los reactores de confinamiento magnético el plasma gira en un recinto toroidal, sin contacto con las paredes. Se han ensayado dos configuraciones: el tokamak y el stellarator, que difieren en la forma de generar los campos magnéticos.
- Confinamiento inercial. Mediante láseres se hace incidir radiación sobre una microesfera de combustible (deuterio-tritio), que vaporiza su superficie y eleva la densidad y la temperatura hasta alcanzar la fusión.
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| Imagen 31. bdesham. Dominio público. |
En la imagen se representan las etapas de la fusión por confinamiento inercial:
1. En una microcapsula (2 mm de diámetro) que contiene una densidad muy alta de deuterio-tritio, se hacen incidir varios rayos láser muy intensos.
2. La superficie de la microcapsula se evapora. Las partículas que escapan ejercen una fuerza de reacción que hace que el combustible se comprima.
3. Al aumentar la presión, la densidad del núcleo de combustible aumenta llegando hasta unas 20 veces la densidad del plomo y aumenta la temperatura.
4. Cuando la temperatura del núcleo alcanza 100 millones de grados Celsius, se produce la fusión termonuclear.
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| Imagen 32. CIEMAT. Uso educativo. |
En España se creó en 1975 el Laboratorio Nacional de Fusión, actualmente en el CIEMAT. En 1983 inició su funcionamiento el tokamak TJ-I, en 1994 lo hizo el TJ-IU que es el primer confinamiento magnético construido totalmente en España. En 1997, dentro del Plan de Fusión Europeo, y considerado de interés prioritario por EURATOM, se puso en funcionamiento el Heliak flexible TJ-II, un stellarator resultado de los estudios realizados por los físicos e ingenieros del CIEMAT, en colaboración con los laboratorios ORLN de EEUU y el IPP de Alemania. En el TJ-II se realizan estudios de confinamiento magnético de plasmas.
AV - Reflexión
En el LMJ (Laser MegaJoule), un reactor de fusión que se está investigando en Francia, se trata de hacer fusionar el deuterio con el tritio para obtener helio-4. ¿Cuál es la reacción nuclear que se produce? ¿Cuánta energía se libera por cada núcleo de He-4 que se forma?
Datos: m (
) = 2,01410 u; m (
) = 3,01605 u; m (
) = 4,00260 u; m (
) = 1,00866 u;
1 u = 931 MeV
Pre-conocimiento
El ITER
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| Imagen 33. Kizar. Dominio público. |
El ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) es un proyecto ideado en 1986 para demostrar la viabilidad científica y tecnológica de la energía de fusión nuclear. El ITER se construirá en Cadarache (Francia) y costará 10.300 millones de euros. En el proyecto participan la Unión Europea, Suiza, China, India, Japón, Corea del Sur, la Federación Rusa y los Estados Unidos de America, bajo los auspicios de la Agencia Internacional de la Energía Atómica.
El prototipo ITER no producirá electricidad, producirá energía térmica. Se basa en la tecnología desarrollada en los tokamaks. El ITER culminará con la fabricación de un reactor experimental Demo, que permita demostrar que es factible industrialmente la producción de electricidad mediante la fusión nuclear. En la infografía puedes conocer algo más sobre ITER:
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| Animación 5. CONSUMER-EROSKI. Uso educativo. |