Este proceso genera energía porque el peso del núcleo resultante es menor que la suma de los pesos de los núcleos más ligeros. Esta diferencia en las masas, llamado defecto de masa o energía de amarre, se transforma en energía mediante la fórmula de Einstein , donde m es la diferencia de masa observada en el sistema antes y después de la fusión y es la velocidad de la luz (300.000 km/s). Aunque el defecto de masa es muy pequeño, es una energía muy concentrada ya que en un gramo de materia hay millones de átomos, con lo que una pequeña cantidad de combustible proporcionaría una cantidad grande de energía

Este tipo de reacciones es la que tiene lugar en el interior de las estrellas, proporcionándoles su brillo y su producción energética. En la escala terrestre, los experimentos realizados sobre fusión nuclear enfrentan un problema de primer orden: la dificultad de controlar las enormes cantidades de energía que se producen en el proceso.

Reacciones de Fusión. No todas las reacciones de fusión producen la misma energía, depende siempre de los núcleos que se unen y de los productos de la reacción. La reacción más fácil de conseguir es la del deuterio (un protón más un neutrón) y tritio (un protón y dos neutrones) para formar helio (dos neutrones y dos protones, también conocido como partícula alfa (α)) y un neutrón, liberando una energía de 17,6 MeV, es decir:

D + T → He⁴ (3.52 MeV) + n (14.06 MeV)

Condiciones para la fusión. El problema de unir dos núcleos ligeros, radica en que los núcleos de los átomos están cargados positivamente, con lo que al acercarse se repelen cada vez con más fuerza. Una posible solución sería acelerarlos en un acelerador de partículas y hacerlos chocar entre sí pero se gastaría más energía en acelerarlos que la que se obtendría con las reacciones de fusión.

Para solucionar este problema se comprimen esferas de combustible mediante haces de luz láser o de partículas teniendo así la llamada fusión por confinamiento inercial en la que se obtiene un gas ionizado (plasma) con densidades muy elevadas, de manera que los núcleos están muy cercanos entre ellos, y por efecto túnel, se fusionan liberando energía. En este caso el plasma se obtiene y se confina por medio de una intensa compresión.

La otra forma de producir reacciones de fusión de manera que se gane energía, es calentando el combustible gaseoso a baja presión en una vasija adecuada, hasta adquirir temperaturas de millones de grados a una presión elevada, obteniendo un plasma donde los choques entre núcleos sean por agitación térmica; aquí también se aprovecha el efecto túnel. Al estar a tan alta temperatura, el combustible se disocia en partículas con carga positiva y partículas con carga negativa, y por lo tanto se puede confinar mediante campos magnéticos; se habla entonces de la fusión por confinamiento magnético. El plasma así obtenido es un gas ionizado que contiene una gran cantidad de partículas cargadas eléctricamente: los iones (+) y los electrones (-). En el caso del confinamiento magnético, el plasma queda aislado de las paredes de la vasija (de vacío) por campos magnéticos. En un campo magnético, las partículas cargadas se mueven en espiral a lo largo de las líneas de campo y en la dirección perpendicular las partículas cargadas se difunden lentamente.

Valores numéricos para la fusión

Los parámetros principales que caracterizan el estado del plasma son la temperatura, su densidad y el tiempo de confinamiento de energía. En el caso de la reacción deuterio-tritio tenemos

Temperatura de plasma: 100 – 200 millones de ⁰C
Tiempo de confinamiento: 1 – 2 segundos
Densidad en el plasma: 2 – 3 x 10²⁰ partículas/m³

Las condiciones requeridas para que ocurran las reacciones de fusión de manera autónoma se expresa por el valor del producto de estas cantidades (Producto de Fusión).

Ventajas de la fusión

La fusión nuclear es un proceso del que potencialmente se puede obtener energía a gran escala y que puede ser muy útil para cubrir el esperado aumento de demanda de energía a nivel mundial. Sus principales ventajas respecto a otros tipos de fuentes energéticas son:

Los combustibles primarios son baratos, abundantes, no radioactivos y repartidos geográficamente de manera uniforme (el agua de los lagos y los océanos contiene hidrógeno pesado suficiente para millones de años, al ritmo actual de consumo de energía).

Sistema intrínsecamente seguro: el reactor sólo contiene el combustible necesario para los diez segundos siguientes de operación. Además el medio ambiente no sufre ninguna agresión: no hay contaminación atmosférica que provoque la “lluvia ácida” o el “efecto invernadero”.

La radiactividad de la estructura del reactor, producida por los neutrones emitidos en las reacciones de fusión, puede ser minimizada escogiendo cuidadosamente materiales de baja activación. Por tanto, no es preciso almacenar los elementos del reactor durante cientos o miles de años.

Combustible para la fusión

La reacción deuterio-tritio, es una fuente de energía prácticamente inagotable, ya que el deuterio se encuentra en el agua de mar y el tritio es fácil de producir a partir del neutrón que escapa de la reacción, utilizando el litio. El litio, es el metal más ligero y es abundante en la corteza terrestre. Se conocen reservas para al menos los próximos mil años.

El sistema Tokamak

Los sistemas de confinamiento magnético más promisorios son toroidales (en forma de dona) de los cuales el más avanzado es el Tokamak (el nombre se deriva de las palabas rusas TOroidalnaya KAmera y MAgnitnaya Katushka (cámara toroidal y bobina magnética)). El Tokamak es un sistema toroidal de confinamiento de plasma, en el cual el plasma se confina por medio de un campo magnético. El principal campo magnético de un Tokamak es el campo magnético en la dirección toroidal. Sin embargo, este único campo no es suficiente para confinar al plasma. Para tener un plasma en equilibrio donde la presión del plasma se equilibre con la presión magnética, es necesario tener un campo magnético poloidal cuyas líneas de campo son generadas por una corriente eléctrica que se hace circular en el plasma dentro de la dona. La suma de los campos magnéticos toroidal y poloidal, es un campo magnético helicoidal a lo largo de la dona.

El ININ y la Fusión. En la parte teórica, se ha acumulado experiencia en (ciertos) métodos analíticos y numéricos que permitirán continuar en el desarrollo de la técnica calentamiento por radiofrecuencia, creación de barreras de transporte, generación de corriente por métodos no inductivos, la implementación de técnicas de análisis de datos experimentales por métodos de regularización y la aplicación de métodos geométricos en el estudio del plasma de borde y de los diversores ergódicos. En la parte experimental, en 1978 se inició un proyecto mexicano de fusión termonuclear y, en 1983, se propuso el diseño de una pequeña máquina experimental llamada “Novillo”. Este (pequeño) Tokamak fue diseñado y construido por trabajadores mexicanos del ININ en el Centro Nuclear de Salazar, México. La continuación de los trabajos de investigación en el Tokamak Novillo, permitirá que el país se reincorpore a una de las áreas de investigación en Física de Plasmas más prometedoras para el futuro energético. La infraestructura existente y la experiencia adquirida, permitirán contribuir al desarrollo de una futura aplicación de la energía nuclear de fusión, la cual será una fuente alterna de energía en el presente siglo. La continuación de las investigaciones en fusión permitirá a los investigadores del ININ, el ingreso a programas bajo el auspicio del Organismo Internacional de Energía Atómica y a un futuro mediano, el ingreso a los trabajos relacionados con los proyectos ITER e IGNITOR.

Estado Actual de la Fusión

Actualmente se ha producido energía de fusión nuclear en dos máquinas distintas, el JET (Joint European Torus) de la Unión Europea en Oxfordshire, y el TFTR (Toroidal Fusion Thermonuclear Reactor) en Princeton. Los dos son dispositivos de fusión por confinamiento magnético.

Se han obtenido reacciones de fusión solamente en estas máquinas, porque son las únicas que han inyectado tritio a un plasma de deuterio. El resto de máquinas funciona con plasmas de sólo deuterio o sólo hidrógeno, para investigar el comportamiento del plasma a altas temperaturas, pero sin producir fusiones.

En las máquinas citadas se ha demostrado la viabilidad científica de la producción de energía mediante fusión nuclear. El siguiente paso es construir un reactor que demuestre la viabilidad tecnológica para producir energía eléctrica a partir de la de fusión. Estos reactores serán el ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), actualmente en fase de diseño y el IGNITOR también en fase de diseño. Para el diseño y construcción del reactor ITER se han asociado las diferentes comunidades de fusión (Rusia, Unión Europea, Japón y USA) y para el caso del IGNITOR (Italia y Rusia) ya que el esfuerzo tecnológico y económico no puede ser afrontado por un solo país.

Perspectivas de Futuro

La era de las fuentes “sostenibles” de energía de origen fósil (carbón y petróleo) está entrando en una etapa crítica, mientras que las fuentes alternas con las que se cuenta, como son la fisión, solar, hidrológica, geotérmica o eólica, no son suficientes si se continúa con el acelerado ritmo de consumo actual. Los combustibles fósiles son cada vez más caros y/o menos convenientes por la emanación de gases que provocan el calentamiento global y sus efectos en el cambio climático. La fusión ofrece un enorme potencial en la generación primaria de energía a gran escala con prácticamente ilimitadas reservas de combustible y las más amplias expectativas ambientales. La investigación en fusión ha entrado en una fase en la cual la producción experimental por fusión de un gigavatio, es un objetivo realizable. Para progresar en la investigación y desarrollo de reactores comerciales es importante cubrir esta etapa. Las siguientes etapas en ITER e IGNITOR, serán una experiencia piloto para Rusia, Unión Europea, Japón, USA y otros socios en el campo de la fusión por confinamiento magnético. El espíritu comunitario alcanzado en la investigación sobre fusión, se ha transmitido al resto del planeta con la esperanza de poder contar en el presente siglo con la fusión termonuclear como fuente de energía prácticamente inagotable, relativamente limpia y con precios competitivos para la humanidad.

Referencias

Ramos S., de Urquijo Carmona J., Meléndez L., Muñoz A., Barocio S., Chávez E., Balderas E., Godínez E., Valencia R., Diseño del Tokamak Novillo, Revista Mexicana de Física, 29, 551 (1983).

Gutiérrez Tapia C., López Callejas R., Barocio S. R. y Valencia Alvarado R., Cap. 10: La Energía de Fusión Nuclear, en el libro Actividad Científica y Tecnológica en el Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares, México D.F., Innovación Editorial Lagares de México S.A. de C.V., Abril 2008. ISBN 978-970-773-321-3. Pags. 185-210

http://www.jet.efda.org/pages/fusion-basics.html
http://www.iter.org/
http://www.frascati.enea.it/ignitor/
https://lasers.llnl.gov/programs/ife/