Fusión: ¿La energía del futuro?👀

Fusión nuclear, "la energía de las estrellas"

El Sol, una bola de fuego ardiente, ubicado a miles y miles de kilómetros de distancia de nuestro querido hogar, nos brinda calor y luz todos los días desde el inicio de nuestra existencia como seres humanos para poder llevar a cabo nuestras actividades cotidianas. ¿Cómo sería vivir en un mundo donde esa fuente de tanta energía estuviese al alcance de nuestras manos, tal vez, en una central nuclear apenas a unas cuadras de nuestras casas?

La estructura de lo más pequeño

Los átomos, si bien dejaron de ser la porción de materia mas pequeña conocida por el ser humano, siendo estos reemplazados por las partículas subatómicas, siguen siendo una parte fundamental para entender el funcionamiento de nuestro universo.

Por ejemplo si se corta un trozo de caño de hierro en pequeñas porciones ya no se tendrá más un caño. Sin embargo cada una de las porciones seguirá siendo hierro. Si se raspa con una lima de parte a parte uno de esos pedazos hasta que no quede más que un montón de polvo, las pequeñas limaduras de metal aún así seguirán siendo hierro. Este proceso podría continuar hasta un punto en el cual obtendríamos la porción mínima que sigue poseyendo las características del hierro. Esa mínima porción o partícula es lo que llamamos átomo.


Podríamos continuar "limando" esa partícula diminuta y descubrir que esta compuesta por otras partículas aún más pequeñas. Dentro del átomo se encuentran el núcleo, que es donde están los protones y los neutrones. Los electrones ocupan el espacio vacío alrededor del núcleo. Casi toda la masa del átomo está constituida por el núcleo. Los electrones poseen una carga eléctrica negativa y los protones una carga eléctrica positiva. Lo interesante es que las partículas con cargas opuestas se atraen y en cambio las partículas con la misma carga tienden a rechazarse. Por otro lado el neutrón tiene una carga eléctrica positiva y negativa. Es eléctricamente neutra y por tal motivo se le ha dado ese nombre.

Átomos estables e inestables

Imaginemos que se amontonan fichas de domino sobre una mesa tal que la forma sea la de un rectángulo bien apilado de manera que se necesitaría un buen golpe para desparramarlas y hasta para hacer saltar una de ellas.

Pero si se las apila de forma desordenada con apenas un simple golpe es posible derribarlas.

En el primer ejemplo la disposición es muy estable. El segundo muestra un sistema muy inestable.

Los núcleos de átomos son en cierto modo semejantes a un montón de fichas de domino. Los elementos que tienen núcleos inestables reciben el nombre de radiactivos. Dado que algunos isotopos de un elemento son mas inestables que otros, no se habla generalmente de elementos radiactivos sino de isotopos radiactivos. Algunas veces las palabras isotopos radiactivos se abrevian en un vocablo, radioisótopos.

Diferentes clases de átomos

Cualquier protón es exactamente igual a cualquier otro protón. Cada electrón es igual a cualquier otro electrón. También todos los neutrones son idénticos. Los protones, electrones y neutrones se pueden combinar de muchos modos diferentes para formar más de 100 tipos distintos de átomos. A su manera, estas partículas básicas son también ladrillos para construir.

Por ejemplo, el átomo de hidrógeno tiene sólo un protón, por lo cual se le ha dado el numero atómico uno. El numero atómico "50", es otorgado al estaño, que tiene 50 protones en su núcleo. Pero el que más nos interesa es el numero atómico 92, que corresponde a una sustancia muy importante llamada uranio.

Los hombre de ciencia hablan también del peso atómico de cada elemento, el peso de un átomo es medido aproximadamente sumando el numero de protones y el de los neutrones de su núcleo. Como el átomo de hidrógeno tiene solo un protón y ningún neutron, su peso atómico es uno.

Existen átomos del mismo elemento, es decir, que poseen el mismo numero atómico, pero pueden tener distinto peso atómico. Por ejemplo, el átomo de helio en su núcleo tiene dos protones y dos neutrones. En vista de que hay dos protones en el núcleo, el helio tiene numero atómico dos. Y puesto que hay también dos neutrones en el núcleo, este átomo de helio tiene un peso atómico de dos más dos, o sea, cuatro. Pero en la naturaleza existe un átomo de helio muy particular porque su núcleo esta constituido por dos protones y un solo neutron, en contraste con el helio ordinario que tiene dos neutrones. A este átomo de helio se le denomina isótopo. Isótopo significa "en el mismo lugar". Los isótopos son formas distintas de un mismo elemento.

Desintegración alfa

Partícula alfa

Cada vez que una particula alfa se desprende de un atomo, el nucleo pierde dos cargas positivas. El numero atomico desciende dos y el atomo se convierte en un elemento completamente diferente.

En todos los casos, el átomo pierde cuatro unidades de peso cuando pierde una partícula alfa (dos por los protones y dos por los neutrones que se dividen)

Desintegración beta

Partícula beta

Proviene del interior del núcleo. Lo que sucede es que los neutrones que están formados por una carga positiva y negativa, se separan. Un instante después, cuando el electrón se separa del núcleo, el neutron se ha convertido en realidad en un simple protón.

Un protón de mas en el núcleo aumenta el numero atómico en uno. De modo que un átomo que pierda una partícula beta en realidad se cambia en un elemento diferente con un numero atómico mayor.

Existen más tipos de partículas, como por ejemplo la partícula gama pero no son pertinentes para la aplicación de energía nuclear.

Lo que pasa hoy en día

La fisión

Es una reacción nuclear en la que se divide un átomo pesado en dos o más, para luego aprovechar la gran cantidad de energía liberada en esa separación y generar una reacción en cadena.

Los neutrones impactan sobre un átomo de gran masa, generando una reacción en la que se liberan átomos más ligeros y se desprenden partículas alfa. Este proceso requiere de una cantidad de combustible llamado “masa crítica” para poder conseguir la cantidad suficiente de neutrones para seguir funcionando. (la reacción en cadena). Esta masa crítica es normalmente Uranio o Plutonio, los cuales toman millones de años en perder su radiactividad.

Reactores convencionales

Las partes básicas de un reactor son las siguientes:

    • Combustible - Algún material que contenga átomos fisionables, ya sean uranio-235, u-233 o plutonio. Cuanto más apretados se hallan, agrupados en el núcleo del reactor, menos se necesita.
    • Un modelador, que frena los neutrones y aumenta sus posibilidades de chocar con os átomos "correctos". Algunos reactores todavía usan grafito como regulador, mientras otros utilizan agua común, líquidos aceitosos o una clase especial de "agua pesada", en la cual los átomos de hidrógeno son isótopos que tienen el doble de peso del isótopo común del agua.
    • Un sistema de control, que por lo general usa varillas hechas de una sustancia que absorbe los neutrones con rapidez. Normalmente, el reactor es puesto en marcha o detenido retirando esas varillas de su núcleo e introduciéndoles de nuevo.
    • Un agente de refrigeración, que evita que el núcleo del reactor se ponga demasiado caliente y que sirve, además, como medio para extraer la energía calórica de la reacción en cadena y llevarla a un lugar en que pueda hacerse funcionar.

En un típico reactor nuclear, los elementos del combustible se colocan de forma tal que permita que el líquido refrigerante se caliente sin llegar al punto de ebullición pero sí manteniendo un buen volumen de vapor. Este vapor luego es transportado por tuberías para ser obligado a pasar por una turbina, en el cual el vapor en expansión impulsa las paletas de un eje rotativo y lo hace girar. El eje del tambor es conectado a un gran magneto dentro del propio generador. Como el extremo del magneto gira y gira, se produce una corriente eléctrica en las espirales que lo rodean y la planta de energía entra en funcionamiento.

¿La energía del mañana?

Fusión

A diferencia de la fisión, aquí se aprovecha la energía generada en la unión de dos o mas átomos en uno mas pesado

En el ITER, lo que se hace es calentar 2 átomos ligeros. En condiciones normales estos átomos no pueden fusionarse debido a su repulsión electrostática. Pero a una muy alta temperatura, van a ganar más energía como para poder superar esta repulsión y fusionarse. En la fusión se utilizan 2 isótopos del Helio (Deuterio y Tritio), los cuales dan origen al Helio y un neutrón.

Como se puede apreciar, en la fusión nuclear solo se requiere que los átomos mantengan la temperatura alta, y eso lo hacen gracias al calor que se libera en la misma fusión. Solo se necesitan unos pocos gramos para conseguir suficiente Helio que mantenga el plasma en su interior en la temperatura optima.

Reactores de fusión por confinamiento magnético

Se aprisiona el material en estado de plasma dentro de un contenedor magnético, que es un campo magnético al que le hemos dado una forma determinada para que las partículas positivas o negativas que componen nuestro plasma se queden dentro.

Reactores de fusión por confinamiento inercial

Consiste en conseguir las condiciones necesarias para que se produzca la fusión nuclear dotando a las partículas del combustible de la cantidad de movimiento necesaria para que choquen y así se pueda producirse la reacción nuclear de fusión.

Miremos el presente y un poco más allá

ITER

El ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor, en español Reactor Termonuclear Experimental Internacional) es un experimento científico a gran escala que intenta crear el reactor de fusión nuclear mas grande del mundo. Éste se haya ubicado en Cadarache, Francia) y costará alrededor de 24 000 millones de euros, convirtiéndolo en el quinto proyecto más costoso de la historia, después del Programa Apolo, de la Estación Espacial Internacional, del Proyecto Manhattan y del desarrollo del sistema GPS. En este gran proyecto participan 35 países siendo los 7 principales: Unión Europea, China, Japón, India, Corea del sur, Rusia y Estados Unidos.

Su principal objetivo es crear un dispositivo de fusión magnética barata y limpia, y demostrar la viabilidad de la fusión nuclear como fuente de energía a gran escala.

¿Como funciona el reactor del ITER?

En el Sol, las reacciones de fusión se realizan en su núcleo, y no en el manto o la corona. De hecho, hace falta una gran presión y temperatura para comprimir los núcleos de hidrógeno unos contra otros, formando helio y liberando energía. Formalmente, la reacción más eficiente es la que se da entre dos isótopos de hidrógeno, deuterio y tritio.

Podemos llamarlo simplemente “plasma”. Aunque en la Tierra tenemos todos los elementos para conformar este cuarto estado de la materia, no existen las condiciones naturales de presión y temperatura. Ni siquiera dentro de un volcán. Con el "Tokamak" se busca alcanzar unas condiciones similares a las del sol para así conseguir una reacción estable que libere energía.

El "Tokamak"

El Tokamak, que significa “cámara toroidal con bobinas magnéticas” en ruso, es una máquina experimental diseñada para aprovechar la energía de fusión. Dentro de él, la energía producida durante la fusión de átomos es absorbida como calor en las paredes de la máquina. Como una planta de energía convencional, una planta de energía de fusión usará este calor para producir vapor y luego electricidad mediante turbinas y generadores.

El Tokamak se encuentra al vacío. Dentro de ella, bajo la influencia del extremo calor y presión, el hidrógeno se transforma en plasma. Las partículas de plasma pueden ser formadas y controladas por masivas bobinas colocadas alrededor del Tokamak, y así mantener el plasma lejos de las paredes, logrando así mantener estable la fusión nuclear.

¿El comienzo de una nueva era?

Una respuesta a la era del Antropoceno

El ser humano siempre ha soñado con alcanzar una fuente de energía inagotable, limpia y segura. Sin efectos nocivos para el medio ambiente y la salud. Que cubra todas las necesidades del planeta, sin embargar el futuro de las nuevas generaciones.

En la fisión nuclear, donde el uranio es un combustible altamente peligroso y escaso, ya que fuera de control genera una reacción en cadena, de efectos catastróficos. Se calcula que las reservas de uranio en el planeta se agotarán en unos cuantos decenios.

En caso de accidente en un reactor de fusión, bastaría suspender el suministro de combustible, con lo cual deja de funcionar el reactor y pocos metros más allá de la vasija cesa la radiactividad, ya que el deuterio es inocuo y el tritio es un isótopo escasamente radiactivo (unas 10 000 veces menor que el uranio), que además se podría reciclar en el interior del reactor.

No obstante, la vasija del núcleo en un reactor de fusión, no es 100% limpia y segura, ya que la radiación y las extremas temperaturas a las que se encuentra sometido el plasma, producen contaminación y peligrosidad. Al no existir reacción en cadena, la radiación se concentra únicamente en la vasija y sus inmediaciones.

A la espera de una fuente energética mejor, la fusión nuclear es una posible esperanza, que aspira a terminar con el uso inadecuado de los combustibles fósiles y la peligrosidad de la fisión nuclear.