FUSION NUCLEAR

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FUSIÓN NUCLEAR En física nuclear, fusión nuclear es el proceso por el cual varios núcleos atómicos de carga similar se unen y forman un núcleo más pesado. Simultáneamente se libera o absorbe una cantidad enorme de energía, que permite a la materia entrar en un estado plasmático. Al fusión de dos núcleos de menor masa que el hierro (en este elemento y en el níquel ocurre la mayor energía de enlace por nucleón) libera energía en general. Por el contrario, la fusión de núcleos más pesados que el hierro absorbe energía. En el proceso inverso, la fisión nuclear, estos fenómenos suceden en sentidos opuestos. En el caso más simple de fusión, en el hidrógeno, dos protones deben acercarse lo suficiente para que la interacción nuclear fuerte pueda superar su repulsión eléctrica mutua y obtener la posterior liberación de energía. En la naturaleza ocurre fusión nuclear en las estrellas, incluido el sol. En su interior las temperaturas son cercanas a 15 millones de grados Celsius.1 Por ello a las reacciones de fusión se les denomina termonucleares. En varias empresas se ha logrado también la fusión (artificial), aunque todavía no ha sido totalmente controlada. Sobre la base de los experimentos de transmutación nuclear de Ernest Rutherford, conducidos pocos años antes, Mark Oliphant, en

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FUSIÓN NUCLEAR

En física nuclear, fusión nuclear es el

proceso por el cual varios núcleos

atómicos de carga similar se unen y

forman un núcleo más pesado.

Simultáneamente se libera o absorbe una

cantidad enorme de energía, que permite

a la materia entrar en un estado

plasmático.

Al fusión de dos núcleos de menor masa

que el hierro (en este elemento y en el níquel ocurre la mayor

energía de enlace por nucleón) libera energía en general. Por el

contrario, la fusión de núcleos más pesados que el hierro absorbe

energía. En el proceso inverso, la fisión nuclear, estos fenómenos

suceden en sentidos opuestos.

En el caso más simple de fusión, en el hidrógeno, dos protones

deben acercarse lo suficiente para que la interacción nuclear

fuerte pueda superar su repulsión eléctrica mutua y obtener la

posterior liberación de energía.

En la naturaleza ocurre fusión nuclear en las estrellas, incluido el

sol. En su interior las temperaturas son cercanas a 15 millones de

grados Celsius.1 Por ello a las reacciones de fusión se les denomina

termonucleares. En varias empresas se ha logrado también la fusión

(artificial), aunque todavía no ha sido totalmente controlada.

Sobre la base de los experimentos de transmutación nuclear de

Ernest Rutherford, conducidos pocos años antes, Mark Oliphant, en

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1932, observó por vez primera la fusión de núcleos ligeros (isótopos

de hidrógeno).

Posteriormente, durante el resto de ese decenio, Hans Bethe estudió

las etapas del ciclo principal de la fusión nuclear en las estrellas.

La investigación acerca de la fusión para fines militares se inició en

los años 40 del siglo XX como parte del Proyecto Manhattan, pero

no tuvo buen éxito hasta 1952. La indagación relativa a fusión

controlada con fines civiles se inició en el decenio siguiente, los 50,

y continúa hasta la fecha. La única central que utiliza la energía

nuclear de fusión se encuentra en Karthzreich en Suiza aunque se

considera de dominio europeo para investigación.

REQUISITOS PARA QUE EXISTA UNA FUSIÓN NUCLEAR

Para que pueda ocurrir

la fusión debe superarse

una importante barrera

de energía producida

por la fuerza

electrostática. A

grandes distancias, dos núcleos se repelen debido a la fuerza de

repulsión electrostática entre sus protones, cargados positivamente.

Sin embargo, si se puede acercar dos núcleos lo suficiente, debido

a la interacción nuclear fuerte, que en distancias cortas es mayor,

se puede superar la repulsión electrostática.

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Cuando un nucleón (protón o neutrón) se añade a un núcleo, la

fuerza nuclear atrae a otros nucleones, pero -debido al corto

alcance de esta fuerza- principalmente a sus vecinos inmediatos.

Los nucleones del interior de un núcleo tienen más vecinos

nucleones que los existentes en la superficie.

Ya que la relación entre área de superficie y volumen de los núcleos

menores es mayor, por lo general la energía de enlace por nucleón

debido a la fuerza nuclear aumenta según el tamaño del núcleo,

pero se aproxima a un valor límite correspondiente al de un núcleo

cuyo diámetro equivalga al de casi cuatro nucleones.

Por otra parte, la fuerza electrostática es inversa al cuadrado de la

distancia. Así, a un protón añadido a un núcleo le afectará una

repulsión electrostática de todos los otros protones.

Por tanto, debido a la fuerza electrostática, cuando los núcleos se

hacen más grandes, la energía electrostática por nucleón aumenta

sin límite.

En distancias cortas la interacción nuclear fuerte (atracción) es

mayor que la fuerza electrostática (repulsión). Así, la mayor

dificultad técnica para la fusión es conseguir que los núcleos se

acerquen lo suficiente para que ocurra este fenómeno. Las

distancias no están a escala..

El resultado neto de estas fuerzas opuestas es que generalmente la

energía de enlace por nucleón aumenta según el tamaño del

núcleo, hasta llegar a los elementos hierro y níquel, y un posterior

descenso en los núcleos más pesados.

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Finalmente la energía de enlace se convierte en negativa, y los

núcleos más pesados (con más de 208 nucleones, correspondientes

a un diámetro de alrededor de seis nucleones) no son estables.

Cuatro núcleos muy estrechamente unidos, en orden decreciente de

energía de enlace, son 62Ni, 58Fe, 56Fe, y 60Ni.2 A pesar de que el

isótopo de níquel 62Ni es más estable, el isótopo de hierro 56Fe es

una orden de magnitud más común. Esto se debe a mayor tasa de

desintegración de 62Ni en el interior de las estrellas, impulsada por

absorción de fotones.

Una notable excepción a esta tendencia general es el núcleo helio

4He, cuya energía de enlace es mayor que la del litio, el siguiente

elemento por incremento de peso.

En el principio de exclusión de Pauli se proporciona una

explicación a esta excepción: debido a que los protones y los

neutrones son fermiones, no pueden existir en el mismo estado.

A causa de que el núcleo del 4He está integrado por dos protones y

dos neutrones, de modo que sus cuatro nucleones pueden estar en el

estado fundamental, su energía de enlace es anormalmente

grande. Cualquier nucleón adicional tendría que ubicarse en

estados de energía superiores.

Tres ventajas de la fusión nuclear son: a) en gran parte sus desechos

no revisten la problemática de los provenientes de fisión;

b)abundancia -y buen precio- de materias primas, principalmente

del isótopo de hidrógeno deuterio (D); c) si una instalación dejara

de funcionar se apagaría inmediatamente, sin peligro de fusión no

nuclear.

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En un diseño prometedor, para iniciar la reacción, varios rayos láser

de alta potencia transfieren energía a una pastilla de combustible

pequeña, que se calienta y se genera una implosión: desde todos

los puntos se colapsa y se comprime hasta un volumen mínimo, lo

cual provoca la fusión nuclear.

CONFINAMIENTO ELECTROSTÁTICO ESTABLE PARA FUSIÓN NUCLEAR

Como se puede apreciar en el

dibujo de arriba, se basa en

circunscripción total de iones

de hidrógeno, confinados

electrostáticamente.

Los beneficios de este

confinamiento son múltiples:

El grosor de la esfera de cobre

anula la inestabilidad causada por errores de simetría.

La ionización del hidrógeno se genera fácilmente por el campo

eléctrico que absorbe los electrones sin disminuir la intensidad de

ese campo.

Se puede obtener un campo eléctrico intenso, lo cual evitaría fuga

de los iones de hidrógeno.

La energía necesaria es menor que la consumida por un reactor de

fusión que genere un campo electromagnético para confinar los

iones.

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La fusión nuclear se logra por medio de compresión-descompresión,

aumentando o disminuyendo la intensidad del campo eléctrico.

Para ello se aumenta o se disminuye la velocidad del generador de

electricidad.

Como moderador de neutrones se puede utilizar plomo, aunque

habría que probar su eficacia.