Fusión nuclear para niños
En física nuclear, la fusión nuclear es una reacción nuclear donde varios núcleos atómicos se unen para formar un núcleo más pesado. Estas reacciones suelen liberar energía si ocurren entre átomos más ligeros que el hierro. Si son más pesados, necesitan absorber energía. La energía que se libera o absorbe se debe a un efecto llamado defecto de masa.
Las reacciones de fusión ocurren cuando los átomos ligeros tienen suficiente energía para superar las fuerzas que los repelen. Esto solo sucede a temperaturas muy altas, cuando la materia está en estado de plasma. La fusión nuclear es lo contrario de la fisión nuclear, donde un átomo pesado se divide en dos más ligeros.
Contenido
Fusión Nuclear: La Energía de las Estrellas
¿Qué es la Fusión Nuclear?
La fusión nuclear es el proceso que alimenta a las estrellas, como nuestro Sol. En el centro de las estrellas, las temperaturas son de millones de grados. A estas temperaturas extremas, los núcleos de los átomos se mueven tan rápido que pueden chocar y unirse. Cuando esto sucede, se forma un nuevo núcleo más pesado y se libera una enorme cantidad de energía.
La Fusión Nuclear en el Universo
En la naturaleza, las reacciones de fusión solo se ven en el centro de las estrellas. La energía que liberan estas reacciones es la principal fuente de luz y calor de las estrellas. Además, la fusión en las estrellas es fundamental para crear los elementos químicos más pesados que existen, en un proceso llamado nucleosíntesis estelar.
¿Cómo se produce la energía en las estrellas?
A principios del siglo XX, los científicos se dieron cuenta de que la fusión nuclear explicaba por qué las estrellas brillan y se mantienen calientes por tanto tiempo. La fusión de núcleos en una estrella, comenzando con hidrógeno y helio, produce esa energía y crea nuevos núcleos. Dependiendo del tamaño de la estrella (y de la presión y temperatura en su centro), ocurren diferentes tipos de reacciones.
En 1920, Arthur Eddington ya había imaginado cómo funcionaba la fusión en las estrellas. En ese momento, no se sabía de dónde venía la energía de las estrellas. Eddington supuso correctamente que la fuente era la fusión de hidrógeno en helio, liberando mucha energía según la fórmula de Einstein E = mc2. Esto fue un gran avance, porque la fusión y la energía termonuclear aún no se habían descubierto.
Eddington explicó que:
- La teoría principal de la energía estelar en ese momento no encajaba con las observaciones.
- La única otra fuente de energía posible era la conversión de materia en energía, como había demostrado Einstein.
- Francis William Aston había descubierto que la masa de un átomo de helio era un poco menor que la masa de los cuatro átomos de hidrógeno que lo formaban. Esto sugería que si se unían, liberarían mucha energía.
- Si una estrella tuviera solo un 5% de hidrógeno que pudiera fusionarse, sería suficiente para explicar su energía. Hoy sabemos que la mayoría de las estrellas tienen mucho más hidrógeno.
- Otros elementos también podrían fusionarse, y los científicos pensaban que las estrellas eran como "hornos" donde los elementos ligeros se combinaban para crear elementos pesados.
La Búsqueda de la Fusión Controlada en la Tierra
También se pueden realizar reacciones de fusión de forma artificial. Sin embargo, debido a las altas temperaturas necesarias, controlar estas reacciones es un gran desafío tecnológico. La primera vez que se usó la fusión nuclear fue en la creación de un tipo de arma.
Hoy en día, se investiga cómo mantener las condiciones para que las reacciones de fusión nuclear ocurran de forma controlada. El objetivo es poder generar energía eléctrica a partir de ellas. Como la energía liberada es mayor cuanto más ligeros son los átomos, se suelen investigar las reacciones de fusión entre diferentes tipos de hidrógeno.
Para controlar la reacción, se están desarrollando dos métodos principales: el confinamiento inercial y el confinamiento magnético. Esta investigación se lleva a cabo en muchos laboratorios y organizaciones en el mundo. El proyecto más importante es ITER, una colaboración internacional que se enfoca en el confinamiento magnético. Se espera que ITER termine su construcción en 2025 y comience a experimentar con plasma ese mismo año.
Avances Recientes en la Fusión Nuclear
El 5 de diciembre de 2022, el NIF (National Ignition Facility) logró un avance importante. En un experimento de fusión nuclear por confinamiento inercial, consiguieron que la reacción liberara más energía de la que se le había introducido.
El 13 de diciembre de 2022, el Departamento de Energía de los Estados Unidos anunció este éxito. Habían logrado un "punto de equilibrio de fusión", donde la energía producida por la fusión fue mayor que la energía usada para iniciarla.
Antes de esto, las reacciones de fusión controlada no habían podido mantenerse por sí mismas. Se están diseñando reactores que, en teoría, producirán diez veces más energía de fusión de la necesaria para calentar el plasma. Muchas empresas privadas también están invirtiendo en la comercialización de la fusión nuclear.
La Física detrás de la Fusión
¿Cómo se unen los núcleos?
Para que la fusión ocurra, los núcleos deben superar una gran barrera de energía. Esto se debe a la fuerza electrostática. A distancias grandes, dos núcleos se repelen porque sus protones tienen carga positiva. Sin embargo, si los núcleos se acercan lo suficiente, una fuerza más fuerte, llamada interacción nuclear fuerte, puede superar esa repulsión y unirlos.
Cuando se añade un nucleón (un protón o un neutrón) a un núcleo, la fuerza nuclear lo atrae a otros nucleones cercanos. Los nucleones en el centro de un núcleo tienen más vecinos que los de la superficie. Por eso, la energía que mantiene unidos a los nucleones (energía de enlace) suele aumentar con el tamaño del núcleo.
Por otro lado, la fuerza electrostática actúa sobre todos los protones. A medida que los núcleos se hacen más grandes, la repulsión electrostática entre los protones aumenta.
¿Por qué la fusión libera energía?
El resultado de estas fuerzas opuestas es que la energía de enlace por nucleón aumenta hasta llegar a elementos como el hierro y el níquel. Después, disminuye en los núcleos más pesados. Finalmente, la energía de enlace nuclear se vuelve negativa, y los núcleos muy pesados (con más de 208 nucleones) no son estables.
Algunos núcleos muy estables son el 62Ni, 58Fe, 56Fe y 60Ni. Aunque el 62Ni es el más estable, el 56Fe es mucho más común.
Una excepción notable es el núcleo de helio 4He, que tiene una energía de enlace muy alta. Esto se debe a que sus dos protones y dos neutrones pueden estar en un estado de energía muy bajo, lo que lo hace muy estable.
La fusión nuclear tiene varias ventajas:
- Sus residuos no son tan problemáticos como los de la fisión.
- Las materias primas, como el deuterio (un tipo de hidrógeno), son abundantes.
- Si una instalación de fusión dejara de funcionar, se apagaría de inmediato, sin peligro.
En un diseño prometedor, se usan varios rayos láser muy potentes para calentar una pequeña pastilla de "combustible". Esto provoca una implosión, donde el combustible se comprime mucho, lo que inicia la fusión nuclear.
Métodos para Controlar el Plasma
Para lograr la fusión en la Tierra, es necesario confinar el plasma a temperaturas extremadamente altas.
Confinamiento Magnético
Este método usa campos magnéticos muy potentes para mantener el plasma caliente alejado de las paredes del reactor. Los campos magnéticos actúan como una "botella" invisible que atrapa las partículas cargadas del plasma.
Confinamiento Inercial
En este método, se usan láseres o haces de partículas para calentar y comprimir rápidamente una pequeña cantidad de combustible de fusión. La compresión es tan rápida y fuerte que el combustible se fusiona antes de que pueda expandirse.
Confinamiento Electrostático Estable para Fusión Nuclear
Este método se basa en encerrar iones de hidrógeno usando campos eléctricos. Algunas de sus ventajas son:
- El grosor de una esfera de cobre puede evitar problemas de simetría.
- La ionización del hidrógeno es fácil de generar con el campo eléctrico.
- Se puede obtener un campo eléctrico muy fuerte para evitar que los iones de hidrógeno se escapen.
- La energía necesaria es menor que la de un reactor que usa campos electromagnéticos.
La fusión se logra aumentando o disminuyendo la intensidad del campo eléctrico, lo que comprime o descomprime el plasma. Se podría usar plomo para reducir la velocidad de los neutrones.
Otros Métodos de Confinamiento
- Confinamiento por pinzamiento
- Confinamiento gravitacional
Véase también
En inglés: Nuclear fusion Facts for Kids
- Física nuclear
- Fisión nuclear
- Procesos nucleares
- Energía de fusión
- Reactores de fusión nuclear
- Historia de la fusión nuclear
- Fusión aneutrónica
- Propulsión por fusión
