22. Fusión nuclear. Descripción y ejemplos. Bombas y posibles centrales nucleares. Perdida de masa. Ecuación de Einstein para la energía desprendida.

Temario de Selectividad de Fisica 2013

Consiste en la unión de núcleos ligeros para formar núcleos más pesados; es el proceso inverso al de fisión nuclear. Cuando se unen dos núcleos ligeros, se obtiene un núcleo más estable, con mayor energía de enlace por nucleón, y se libera energía. Por ejemplo:

Las reacciones de fusión son muy difíciles de conseguir con la tecnología actual, ya que para unir dos núcleos hay que vencer las fuerzas eléctricas de repulsión que existen entre las cargas positivas de los protones. Para conseguirlo, los núcleos deben chocar entre sí a velocidades suficientemente altas como para vencer la repulsión, lo que requiere temperaturas de varios cientos de millones de grados.

Esto solo se ha conseguido de forma apreciable y con un alto rendimiento energético en las bombas de hidrógeno, donde la fusión se provoca mediante la explosión de una bomba atómi­ca. Es el proceso que tiene lugar en el interior de las estrellas.

Reactores de fusión nuclear

La unión de núcleos ligeros para producir núcleos mayores también va acompañada de la emi­sión de grandes cantidades de energía. Pero para vencer la repulsión electrostática entre los núcleos que se quieren fusionar es necesario comunicarles grandes energías; hay que conseguir temperaturas muy elevadas. Como las fuerzas eléctricas de repulsión son proporcionales a la carga eléctrica de los núcleos, Los átomos de hidrógeno son Los más adecuados para conseguir la fusión.

A temperaturas tan elevadas, Los átomos pierden electrones y se forma un gas, que consta de cationes y electrones, llamado plasma. De entre todas las reacciones de fusión, la que parece más fácil de conseguir es la reacción deuterio + tritio:

[math]\displaystyle{ _1^2 H + _1^3 H - _2^4He + _0^1 n + 17.6 MeV }[/math]

Para lograr la fusión es necesario calentar este plasma a temperaturas del orden de [math]\displaystyle{ 10^8 K }[/math] y conseguir que alcance una densidad del orden de [math]\displaystyle{ 10^{20} }[/math] partículas/m3, durante un tiempo de unos segundos. Hay que confinar el plasma en un recipiente sin paredes, pues ningún material soportaría esas temperaturas. Se investiga en dos alternativas: confinamiento magnético y confinamiento inercial:

• En el confinamiento magnético, el plasma se confina mediante campos magnéticos y eléc­tricos.
• El confinamiento inercial se basa en conseguir densidades enormes (cien veces mayores que las normales del estado sólido) durante tiempos muy pequeños. Se puede conseguir calentando pequeñas cápsulas de deuterio-tritio mediante intensos rayos láser.

La energía de fusión presentará indudables ventajas: la materia prima es abundante y barata (en el agua del mar hay suficiente deuterio para abastecer a la humanidad durante miles de millones de años, y el tritio se obtiene al bombardear Litio con neutrones), los reactores de fu­sión presentarán menos problemas con los residuos radiactivos que los de fisión y serán más seguros. De momento, solo se han obtenido grandes canti­dades de energía por fusión incontrolada mediante bombas de hidrógeno. En ellas la energía necesaria para iniciar la fusión la suministra una bomba atómica.

Equivalencia entre masa y energía

Dado que no se han llevado a termino demasiados experimentos, solo podemos decir que en teoría en las reacciones de fusión nuclear, al unir núcleos, se desprende energía, pero también desaparece una cantidad de masa. Dicha cantidad la establece la correlación o equivalencia entre masa y energía de Einstein, cuya formula es [math]\displaystyle{ E = mc^2 }[/math], donde c equivale a la velocidad de la luz. Por tanto, dicha masa se acelera hasta la velocidad de la luz para convertirse en energia. Asimismo, esa energía que se desprende no es posible recuperarla, dado lo que establece la Segunda Ley de la Termodinámica.

En el ejemplo de esta cuestión podemos ver que de la unión entre el deuterio y el tritio se genera un átomo de helio, un neutrón y energía. Sin embargo, si dividiésemos el átomo de helio, recuperaríamos los átomos de deuterio y tritio, pero la energía obtenida no retornaría en forma de masa. Es mas, en el proceso de fisión, se desprende mas energía, de forma que esos átomos tendrían todavía menos masa que los primeros.