Energía de fusión para niños
La energía de fusión es la energía que se libera cuando dos núcleos de átomos muy ligeros se unen para formar un núcleo más pesado. Imagina que es como cuando dos piezas pequeñas de LEGO se unen para hacer una más grande, y al hacerlo, liberan mucha energía. Esta energía podría usarse en el futuro para producir energía eléctrica en centrales especiales llamadas reactores de fusión.
La mayoría de los proyectos para construir una central de fusión buscan usar estas reacciones para generar calor. Este calor, a su vez, movería una turbina de vapor que produciría electricidad. Es parecido a cómo funcionan las centrales eléctricas que usan carbón o las centrales nucleares actuales, pero con una gran ventaja: la fusión es mucho más amigable con el medio ambiente. Por ejemplo, con solo medio kilo de hidrógeno (que es muy abundante en el agua), se podrían producir unos 35 millones de kilovatios hora de energía.
La investigación sobre los reactores de fusión comenzó hace mucho tiempo, en la década de 1940. Sin embargo, hasta ahora, ningún diseño ha logrado producir más energía de fusión de la que se necesita para que funcione. El experimento más grande en la actualidad es el Joint European Torus (JET). En 1977, el JET logró un pico de 16,1 MW de energía de fusión. En junio de 2005, se anunció la construcción del reactor experimental ITER, que está diseñado para producir más energía de fusión de la que consume.
Para que la fusión ocurra, se necesita un "combustible" (átomos ligeros) y un lugar donde se puedan alcanzar temperaturas y presiones muy altas. Esto crea un estado de la materia llamado plasma, donde los átomos se separan en sus partes más pequeñas (núcleos y electrones). En las estrellas, como nuestro Sol, el combustible principal es el hidrógeno, y la gravedad mantiene todo junto por muchísimo tiempo, permitiendo que la fusión ocurra.
Los reactores de fusión que se están diseñando suelen usar tipos especiales de hidrógeno, como el deuterio y el tritio. Estos reaccionan más fácilmente que el hidrógeno común. La mayoría de los diseños buscan calentar el combustible a unos 100 millones de grados Celsius, lo cual es un gran desafío.
Se espera que la energía de fusión tenga muchas ventajas sobre la fisión nuclear (la que usan las centrales nucleares actuales). Por ejemplo, produciría menos radiactividad y menos residuos peligrosos. Además, el combustible es muy abundante y es un proceso más seguro. Sin embargo, lograr las condiciones de temperatura, presión y tiempo necesarias ha sido muy difícil de conseguir de forma práctica y económica. Otro desafío es manejar los neutrones que se liberan, ya que pueden dañar los materiales del reactor con el tiempo.
Los científicos han investigado varias formas de "encerrar" el plasma para que la fusión ocurra. Al principio, se enfocaron en sistemas como el z-pinch, el stellarator y el espejo magnético. Hoy en día, los diseños principales son el tokamak y el confinamiento inercial con láser. Estos se están investigando a gran escala en proyectos como el ITER en Francia (un tokamak) y el National Ignition Facility (NIF) en Estados Unidos (confinamiento inercial por láser). También se estudian otros diseños que podrían ser más económicos.
Contenido
¿Cómo funciona la fusión nuclear?
El mecanismo de la fusión
Las reacciones de fusión ocurren cuando dos o más núcleos de átomos se acercan tanto que una fuerza muy poderosa, llamada fuerza nuclear (que los atrae), logra vencer a la fuerza que los repele (la fuerza electrostática). Así, se unen para formar un núcleo más pesado.
Si los núcleos que se fusionan son más ligeros que el hierro-56, la reacción libera energía. Esto se llama reacción exotérmica. Si son más pesados que el hierro-56, la reacción necesita energía para ocurrir (endotérmica). El hidrógeno es el átomo más ligero y el que más energía libera al fusionarse, porque solo tiene un protón en su núcleo.
Para que la fusión comience, los átomos del combustible deben tener suficiente energía para superar la repulsión entre ellos. Es como si tuvieran que empujarse muy fuerte para poder tocarse. Esta energía se puede lograr calentando los átomos a temperaturas extremadamente altas o acelerándolos en máquinas especiales.
El plasma y sus propiedades
Cuando un átomo se calienta mucho, pierde sus electrones y se convierte en un ion (un núcleo con carga positiva). El resultado de esta ionización es el plasma, que es una nube de núcleos cargados y electrones libres. Aunque la carga total del plasma es neutra, sus componentes están cargados, lo que lo convierte en un conductor eléctrico y le da propiedades magnéticas. Los dispositivos de fusión usan estas propiedades para mantener las partículas calientes "encerradas".
El triple desafío: densidad, temperatura y tiempo
Para que una máquina de fusión produzca energía, debe generar suficiente energía para compensar lo que pierde. La cantidad de energía liberada depende de tres cosas: la temperatura del plasma, la densidad de las partículas (cuántas hay en un espacio) y el tiempo de confinamiento (cuánto tiempo se mantiene la energía dentro del volumen). Esto se conoce como el "triple producto".
En los sistemas de confinamiento magnético, la densidad del plasma es muy baja, como un "buen vacío". Por ejemplo, en el reactor ITER, la densidad del combustible es aproximadamente una millonésima parte de la densidad del aire. Esto significa que la temperatura o el tiempo de confinamiento deben ser muy altos para que la reacción de fusión se mantenga. El principal problema en las máquinas modernas es el tiempo de confinamiento, ya que los plasmas en campos magnéticos fuertes pueden volverse inestables. Una forma de solucionarlo es hacer el reactor muy grande, como el ITER.
Por otro lado, los sistemas de confinamiento inercial logran la fusión con una densidad mucho mayor y tiempos de confinamiento muy cortos. En el NIF, el combustible de hidrógeno congelado se comprime hasta ser unas 100 veces más denso que el plomo. En estas condiciones, la fusión ocurre tan rápido que el combustible se fusiona en microsegundos.
¿Cómo se captura la energía?
Se han propuesto varias formas de capturar la energía de la fusión. La más sencilla es calentar un líquido. La reacción de deuterio-tritio, que es la más común, libera gran parte de su energía en forma de neutrones muy rápidos. Como los neutrones no tienen carga eléctrica, no se ven afectados por el sistema que confina el plasma.
En la mayoría de los diseños, estos neutrones son capturados por una capa de litio que rodea el núcleo del reactor, llamada "manto regenerador". Cuando los neutrones chocan con el manto, este se calienta. Luego, un refrigerante transporta este calor a una turbina que produce electricidad.
Otros diseños han propuesto usar los neutrones para producir combustible de fisión a partir de residuos nucleares, en un concepto llamado "híbrido de fisión-fusión".
Métodos de confinamiento
Confinamiento magnético
Este método usa campos magnéticos muy potentes para mantener el plasma caliente alejado de las paredes del reactor.
- Tokamak: Es el método más estudiado y con más financiación. En un tokamak, el plasma caliente circula en forma de anillo (como una rosquilla) y es confinado por imanes externos y una corriente eléctrica dentro del plasma. El ITER, cuando esté terminado, será el tokamak más grande del mundo.
- Tokamak esférico: Una variación del tokamak con forma más esférica.
- Stellarator: A diferencia del tokamak, el stellarator intenta crear una trayectoria natural para el plasma usando solo imanes externos, sin necesidad de una corriente interna. Esto hace que las bobinas magnéticas sean más complejas. Ejemplos son el Wendelstein 7-X en Alemania y el TJ-II en Madrid.
- Espejo magnético: Estos dispositivos reflejan el plasma de un lado a otro en una línea recta, como si fuera un espejo. Se investigaron mucho en Estados Unidos en las décadas de 1960 y 1970.
El ciclo de fusión
La idea básica de la fusión nuclear es acercar dos o más núcleos atómicos lo suficiente para que la interacción nuclear fuerte (la fuerza que mantiene unidos a protones y neutrones) los una y formen un núcleo más grande. Si dos núcleos ligeros se fusionan, el nuevo núcleo tendrá un poco menos de masa que la suma de sus masas originales. Esa pequeña diferencia de masa se libera como energía, según la famosa fórmula de equivalencia entre masa y energía de Einstein: E = mc2.
Reacción de Deuterio-Tritio (D-T)
La reacción de fusión más sencilla y prometedora es la que usa deuterio y tritio:
- 2
1D + 3
1T → 4
2He + 1
0n
El Deuterio (Hidrógeno-2) es un tipo de hidrógeno que se encuentra en la naturaleza, especialmente en el agua. Es fácil de separar del hidrógeno común. El Tritio (Hidrógeno-3) es otro tipo de hidrógeno, pero es muy raro en la naturaleza. Por eso, es necesario "producirlo" a partir del litio usando neutrones, como en estas reacciones:
- 1
0n + 6
3Li → 3
1T + 4
2He - 1
0n + 7
3Li → 3
1T + 4
2He + 1
0n
El neutrón necesario para estas reacciones proviene de la propia reacción D-T. La reacción con Litio-6 libera un poco de energía, mientras que la reacción con Litio-7 no consume el neutrón.
Reacción de Deuterio-Deuterio (D-D)
Aunque es más difícil de lograr que la reacción D-T, la fusión también puede ocurrir al fusionar dos átomos de deuterio entre sí. Esta reacción puede producir dos resultados diferentes con casi la misma probabilidad:
- 2
1D + 2
1D → 3
1T + 1
1H - 2
1D + 2
1D → 3
2He + 1
0n
La principal ventaja de la reacción D-D es que no necesita tritio ni litio como combustible inicial. Sin embargo, la desventaja es que el plasma necesita estar confinado mucho más tiempo y la energía producida es menor en comparación con la reacción D-T.
Galería de imágenes
-
Diagrama de la reacción D-T
Véase también
En inglés: Fusion power Facts for Kids
- Fusión nuclear
- Historia de la fusión nuclear
- Fusión fría
- Confinamiento inercial
- Confinamiento magnético
- Sonoluminiscencia
- Economía de bajo carbono
