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La energía de fusión es la energía liberada al realizarse una reacción de fusión nuclear. En este tipo de reacción, dos núcleos atómicos ligeros se fusionan para formar un núcleo más pesado, liberándose gran cantidad de energía en el proceso, que puede ser empleada en la bomba de hidrógeno y en un futuro en la producción de energía eléctrica en un hipotético reactor. La mayoría de estudios existentes para el diseño de una central nuclear de fusión usan las reacciones de fusión para generar calor, que hará funcionar una turbina de vapor que a su vez activarán los generadores para producir electricidad, de forma similar a como ocurre actualmente en la centrales térmicas que usan combustibles fósiles o en las centrales nucleares de fisión, pero con la gran ventaja de que el impacto ambiental será considerablemente menor ya que por ejemplo, medio kilo de hidrógeno (muy abundante en la naturaleza, ya que forma parte del agua) produciría unos 35 millones de kilovatios hora.
El mayor experimento actual es el Joint European Torus (JET). En 1977 el JET produjo un pico de 16,1 MW de energía de fusión (el 65% de la energía suministrada) con una potencia de más de 10 MW sostenida durante más de 0,5 s. En junio de 2005 se anuncia la construcción del reactor experimental ITER, diseñado para producir de forma continuada más energía de fusión que la energía que se le suministra en forma de plasma.
El Sol es un reactor de fusión natural.
Reactor de fusión
Ciclo de fusión
Ciclo de fusión
El concepto básico de una reacción de fusión nuclear es acercar dos o más núcleos atómicos lo suficiente como para que la interacción nuclear fuerte (la fuerza que mantiene unidos protones y neutrones en un núcleo) los una para formar un núcleo mayor. Si dos núcleos ligeros se fusionan, formarán un solo núcleo con algo menos de masa que la suma de sus masas originales. La diferencia de masa se libera como energía de acuerdo a la fórmula de la equivalencia entre masa y energía E = mc2. Si los núcleos originales son suficientemente masivos, el producto resultante de la fusión será más pesado que la suma de sus masas, en cuyo caso la reacción requerirá una fuente externa de energía. La línea divisoria entre ambos tipos de fusiones, exotérmicas y endotérmicas, la establece el hierro-56. Sobre esta masa atómica, la energía será liberada por fisión nuclear; bajo ella, por fusión.1
Reacción D-T
Reacción D-T
Diagrama de la reacción D-T
De acuerdo a los criterios de Lawson, la más sencilla y prometedora reacción de fusión es:
El Hidrógeno-2 (Deuterio) es isótopo encontrado y disponible en la naturaleza. La gran diferencia de masa entre los dos principales isótopos de Hidrógeno (Protio y el propio Deuterio) hace fácil su separación comparada con la dificultad del proceso de enriquecimiento de uranio. El Hidrógeno-3 (Tritio) también es un isótopo del Hidrógeno, pero su ocurrencia natural es insignificante. Debido a ello, se hace necesario recurrir a la reproducción desde el litio usando alguna de las siguientes reacciones:
El neutrón reactante es suministrado por la reacción D-T anterior. La reacción con 6Li es exotérmica, suministrando una pequeña ganancia de energía al reactor. La reacción con 7Li es endotérmica pero no consume el neutrón. Se requieren al menos algunas reacciones con 7Li para reemplazar los neutrones perdidos por la absorción de otros elementos. La mayoría de los diseños de reactores se aprovechan de la ocurrencia natural de una mezcla de isótopos de litio.
Reacción D-D
Reacción D-D
Aunque más difícil de producir que la reacción Deuterio-Tritio, la fusión puede realizarse a través de la fusión del Deuterio consigo mismo. Esta reacción produce dos ramas que ocurren con casi la misma probabilidad:
Deuterio.
Deuterio.
Hidrógeno-2
Isótopo de hidrógeno
También conocido como Deuterio
General
Símbolo
²H
1
1
Datos del núclido
0,0156 % (en la Tierra)
Período de semidesintegración
Estable
2,01410178 u
1+
Exceso de energía
13 135,720 ± 0,001 keV
2.224,52 ± 0,20 keV
El deuterio (del griego Δεύτερος segundo), cuyo símbolo es ²H, es un isótopo estable del hidrógeno que se encuentra en la naturaleza con una abundancia del 0,015 % del total de átomos de hidrógeno (uno de cada 6500). El núcleo del deuterio está formado por un protón y un neutrón (el hidrógeno tiene solamente un protón). Cuando el isótopo pierde su electrón el ion resultante recibe el nombre de deuterón.
El deuterio también recibe el nombre de hidrógeno pesado. Se puede nombrar como ²H o como D. Aunque no es un elemento diferenciado en el sentido estricto (es hidrógeno), la diferenciación entre las propiedades de los isótopos es tanto más acusada cuanto más ligero sea el elemento químico al que pertenecen. En el caso del deuterio las diferencias son máximas ya que tiene el doble de masa atómica que el hidrógeno.
El deuterio fue detectado en 1931 por Harold Clayton Urey, un químico de la Universidad de Columbia. Urey ganó, en 1934, el Premio Nobel de química por este trabajo.
La existencia del deuterio en la Tierra, otras partes del Sistema Solar (según lo confirmado por las sondas planetarias) y en los espectros de estrellas es un dato importante en cosmología. La fusión estelar destruye el deuterio y no hay procesos de creación naturales conocidos con excepción de la nucleosíntesis primordial, que pudo haber producido el deuterio en una abundancia cercana a la natural observada en este elemento. Esta abundancia parece ser una fracción muy similar a la del hidrógeno, dondequiera que se encuentre este. Así, la existencia del deuterio es una de las discusiones a favor de la teoría del Big Bang en vez de la teoría del estado estacionario del universo.
El deuterio combinado con el oxígeno forma agua pesada.
Aplicaciones del deuterio
Aplicaciones del deuterio
El deuterio es útil en los procesos de fusión nuclear junto con el tritio debido a la gran sección eficaz de la reacción. También se experimenta con él en otras reacciones como la deuterio + deuterio o deuterio + helio-3.
En química y bioquímica, el deuterio se utiliza como trazalíneas isotópico no radiactivo en moléculas para estudiar reacciones químicas y cambios metabólicos, debido a que químicamente se comporta semejantemente al hidrógeno ordinario, pero puede ser distinguido del hidrógeno ordinario por su masa, usando espectrometría de masa o espectrometría infrarroja.
Antideuterio
Antideuterio
El antideuterio es la antipartícula del deuterio. Está compuesto por un antiprotón y un antineutrón en el núcleo y un positrón ligado a este, de la misma forma en que lo está el electrón en el átomo de deuterio. El átomo completo todavía no ha sido creado, pero sí su núcleo (antiprotón y antineutrón), producido por primera vez en 1965 en el Proton Synchrotron del CERN CERN1 y en el National Laboratory de Brookhaven.
Tritio
Tritio
Hidrógeno-3
Isótopo de hidrógeno
También conocido como tritio
General
Símbolo
³H
2
1
Datos del núclido
trazas
Período de semidesintegración
12,32 años
Productos de desintegración
3,016 049 2 u
½
Exceso de energía
14 949,794 ± 0,001 keV
8 481,821 ± 0,004 keV
Modo y energía de desintegración
0,018 590 MeV
Otros
El tritio es un isótopo natural (y también producido de forma artificial) del hidrógeno; es radiactivo. Su símbolo es ³H. Su núcleo consta de un protón y dos neutrones. Tiene un periodo de semidesintegración de 12,3 años [(4500 ± 8) días]. El tritio se produce por bombardeo con neutrones libres de blancos de litio, boro o nitrógeno. Su producto de desintegración es ³He+1
Al tener su núcleo tres nucleones que participan en la interacción fuerte, y solo un protón cargado eléctricamente, con el tritio se puede realizar la fusión nuclear más fácilmente que con el isótopo más común del hidrógeno (hidrógeno-1).
El tritio (hidrógeno-3) es producido naturalmente por la acción de los rayos cósmicos sobre los gases atmosféricos. También puede ser obtenido artificialmente en el laboratorio.
A medida que el núcleo del tritio se transmuta, emite un electrón, causando una liberación de energía en forma de radiación beta. Se forma entonces un nuevo núcleo con dos protones y un neutrón, de forma tal que se convierte en una forma no radiactiva de helio (helio-3).
El tritio produce emisiones beta de baja energía y no emite ningún otro tipo de radiación primaria. De hecho, el tritio emite el nivel más bajo de energía por radiación beta de todos los isótopos (en la práctica implica que sus partículas beta son fácilmente detenidas por finas capas de cualquier material sólido).
Se espera que a medio o largo plazo la tecnología logre fusionar de forma controlada tritio y deuterio. Esta fuente de energía sería inagotable, pues el deuterio está presente en el agua de mar y el tritio, que también es muy abundante en la corteza terrestre. En un primer momento el tritio se produciría mediante la radiación por neutrones de litio en reactores de fisión nuclear, para más tarde aplicar un método de obtención de tritio a partir de unos paneles de litio en los reactores de fusión nuclear que serían bombardeados por los neutrones libres producto de la fusión. El producto de la fusión de ambos elementos es el helio, que no es radiactivo, pero se producirían residuos radiactivos en la fase previa de fisión nuclear que utilizaría uranio o plutonio para producir tritio antes de aplicar un método de obtención de tritio en los reactores de fusión nuclear.
Historia
Historia
El tritio fue producido por primera vez en 1934 a partir del deuterio, otro isótopo del hidrógeno, por Ernest Rutherford, trabajando con Mark Oliphant y Paul Harteck. Rutherford fue incapaz de aislar el tritio, un trabajo que hicieron Luis Walter Álvarez y Robert Cornog, que dedujeron correctamente que la sustancia era radiactiva. Willard Frank Libby descubrió que el tritio se podría utilizar para la datación del agua, y, por lo tanto, del vino.
La cantidad óptima de energía para iniciar esta reacción es 15 MeV, sólo ligeramente mayor que la óptima para la reacción D-T. La primera rama no produce neutrones, pero sí Tritio, por lo que un reactor D-D no estará totalmente libre de Tritio, incluso pese a no requerir una entrada de tritio o litio. La mayoría del tritio producido se consumirá antes de dejar el reactor, lo que reducirá la cantidad de tritio a manejar, pero producirá más neutrones, algunos de los cuales serán bastante energéticos. Los neutrones de la segunda rama tienen una energía de sólo 2.45 MeV (0.393 pJ), mientras los neutrones de la reacción D-T tendrán una energía de 14.1 MeV (2.26 pJ), resultando en una mayor producción de isótopos y deterioro de material.
Suponiendo que se consuma todo el tritio del reactor, la reducción en la fracción de la energía de fusión llevada por los neutrones sería de solo un 18%, así que la principal ventaja del ciclo de combustión D-D es que no necesita producción de tritio. Otras ventajas son la independencia del escaso abastecimiento de litio y una algo más suave radiación de neutrones durante el proceso. La desventaja de la D-D comparada con la D-T es que el tiempo de confinamiento (a una presión determinada) será 30 veces más largo y la potencia producida (a una presión y volumen dados) sería 68 veces menor.
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