El poder de una estrella

– Imagínate Edward, si lograras redirigir la energía obtenida en la bomba de fisión para comenzar un proceso de fusión, conseguirías una potencia descomunal.

– Una idea interesante, Enrico.

(Los Álamos, 1941)

Tan interesante era la idea de Enrico Fermi, que Edward Teller trabajó en ella durante 10 años junto a Stanislav Ulam y otros compañeros en Los Álamos. Desde entonces, la fusión nuclear ha sido un importante campo de investigación hasta nuestros días, en los que seguimos teniendo como base un diseño soviético de los años 50.

Primer tokamak que se hizo funcionar en la Unión Soviética

T-1: Primer Tokamak que se hizo funcionar en la Unión Soviética

¿Por qué tanto interés en dominar la fusión nuclear?

El principal interés en dominar la fusión es la gran cantidad de energía que podemos obtener a partir de ella. Vamos a ver un ejemplo sencillo con un átomo de ^4He (Helio 4).

La masa de un átomo de ^4He es 4,002603 u y consta de dos protones, dos neutrones y dos electrones. Un átomo de hidrógeno ^1H está compuesto por un protón y un electrón, por lo que un átomo de Helio 4 debería tener una masa igual a dos átomos de hidrógeno y dos neutrones.

Masa de ^1H:  1,007825 u.

Masa de un neutrón:  1,008665 u.

u es una unidad muy útil cuando se trabaja con masa atómica, se trata de la doceava parte de la masa de un átomo de Carbono 12 (^{12}C).
eV (electrónVoltio) es la unidad usada para el cálculo de energía a nivel atómico y es equivalente a la energía cinética que adquiere un electrón cuando es acelerado por una  diferencia de pontencial de 1 voltio.
u y eV están relacionados de la siguiente forma: (1u) c^2 = 931,50 MeV.

Así que el Helio 4 debería tener una masa de 2 M_H + 2 M_N = 4,032980 u.

Pero resulta que en realidad la masa del ^4He es 4,002603 u.

¿QUÉ HAS HECHO CON MI MASA! ¿Te acuerdas de la famosa fórmula de Einstein E = mc^2? Pues la masa que nos falta se ha transformado en energía, creando una configuración más estable como es nuestro precioso nuevo átomo de helio. Y lo más importante, aunque la diferencia de masa es mínima (0,030377 u), la cantidad de energía liberada para formar este átomo es muy alta:

0,030377 u \frac{931,5 MeV/c^2}{u} = 28,30 MeV.

Esos 28,30MeV (Mega electronVoltio) transformados a Julios serían 4,53416 x 10^{-12}J, que pueden parecer una minucia, pero estamos hablando de la energía generada al crear un solo átomo de helio. En aproximadamente 4 gr de helio, tendríamos 6.14129×10^23 átomos.

Energía_por_nucleón

En este gráfico se puede ver la energía del enlace por nucleón (cada partícula del núcleo de un átomo). El hierro es el material más estable, así que cuando queremos obtener energía directamente de los átomos, tenemos dos opciones: acercarnos al hierro por la izquierda fusionando elementos como el hidrógeno, o acercarnos al hierro por la derecha fisionando elementos como el uranio. Si nos acercamos por la izquierda (elementos menos pesados), necesitamos mucha menos masa para generar la misma energía que si lo hacemos por la derecha (elementos más pesados).

¿Y por qué no lo estamos aprovechando ya?

Para poder realizar la fusión se necesita alcanzar una gran temperatura y conseguir que las partículas estén confinadas de forma que puedan producirse los suficientes choques entre ellas para provocar la fusión. Hay tres medios posibles conocidos para crear este confinamiento:

– Gravedad -> Éste es el método que usan las estrellas para realizar la fusión y les funciona bastante bien. El problema es que no tenemos a disposición un campo de gravedad como el de una estrella, así que es una opción inviable en la Tierra. No es casualidad que el hierro sea el elemento más estable en la relación energía de enlace-nucléon, ya que es el último elemento que puede alcanzar la fusión en una estrella si tiene la suficiente masa.

– Inercia -> Se utiliza la presión que ejerce la radiación sobre la materia, comprimiendo una cantidad de combustible en el espacio más reducido posible mediante una descarga de láseres. Gracias a esta compresión se consigue la fusión. Estados Unidos actualmente investiga este tipo de fusión en el NIF (National Ignition Facility).

– Magnético -> Se confina el plasma (gas fuertemente ionizado) en un campo magnético. Un campo magnético ejerce fuerza sobre partículas cargadas, desviando su trayectoria (podéis ver un ejemplo en la entrada del experimento de Thomson que publiqué anteriormente). La configuración del campo magnético se hace en forma de toroide (donut) y el plasma que contiene el material fusionable circula dentro del mismo.

Tokamak

En los años 50, la Unión Soviética comenzó sus trabajos para generar energía a partir de la fusión; de esas investigaciones surgió el Tokamak (acrónimo ruso para cámara toroidal con bobinas magnéticas). Un modelo de confinación magnética que sigue desarrollándose hoy en día y es la base del proyecto ITER.

ITER

El Reactor Termonuclear Experimental Internacional es la gran esperanza para conseguir una central de fusión rentable. Se está construyendo en el sur de Francia y cuenta con la colaboración de China, Corea del Sur, Estados Unidos, India, Japón, Rusia y la Unión Europea.

Sección del tokamak a instalar en ITER. Pulsa sobre la imagen para ver más información en la página oficial.

Sección del Tokamak a instalar en ITER. Pulsa sobre la imagen para ver más información en la página oficial.

Su objetivo es conseguir la creación de un reactor de fusión que genere más energía de la que consume. Pero los átomos de hidrógeno que usarán para realizar la fusión tienen una característica especial, y es que se usarán los dos isótopos existentes del hidrógeno:

– Deuterio (^2H): se trata de un átomo de hidrógeno cuyo núcleo está compuesto por un protón y un neutrón.

– Tritio (^3H): en este caso se trata de un átomo de hidrógeno cuyo núcleo está compuesto por un protón y dos neutrones.

Se usarán estos dos isótopos porque fusionando ambos elementos, a 150 millones de ºC, se produce una reacción muy importante para el objetivo de crear una planta de fusión:

^2H + ^3H = ^4He + n + 17,6 MeV

O lo que es lo mismo: un átomo de deuterio cuando se fusiona con un átomo de tritio, genera un átomo de helio, un neutrón y energía. La importancia de esta reacción reside, además de en la energía, en el neutrón generado.

El deuterio se puede conseguir a partir del agua de mar, pero el tritio no se encuentra en la naturaleza, hay que generarlo. La suerte es que para conseguirlo necesitamos un material muy común en nuestro planeta: el litio.

La reacción necesaria para generar tritio es la siguiente:

^6Li + Neutron = ^3H + ^3He + Energia

Y ahí está la importancia del neutrón obtenido durante la fusión. El neutrón es una partícula sin carga, por tanto no está afectada por el campo magnético con el que se ha confinado el plasma y acabará atravesando éste y chocando con las paredes del reactor, que están recubiertas de litio. Al chocar con la paredes del reactor, se producirá el tritio que servirá para seguir alimentando el proceso de fusión, y además se producirá más calor.

¿Y cómo se generará energía?

Enfriando el sistema. Una vez se obtiene un proceso de fusión autosostenido (la propia energía generada por la fusión, mantiene el sistema en funcionamiento), bastaría con aprovechar los sistemas de refrigeración para obtener vapor de agua que mueva una turbina y genere nuestra preciada electricidad.

¡Un momento! ¿Tanta tecnología para acabar calentando agua y mover una turbina? Sí, en eso no se diferenciaría demasiado de una central nuclear de fisión habitual, pero la ventaja de este método es la limpieza y disponibilidad del combustible.

El quid de la cuestión está en conseguir generar energía con un ratio mayor que el consumido.

¿Y cuándo podremos hacerlo?

Pues esta es una pregunta que no me alegra nada, porque ahora mismo la expectativa es 2030 para tener generadores estables, y esta fecha siempre puede variar si se encuentran problemas en el funcionamiento de los reactores experimentales o los fondos son insuficientes.

Controlamos la fusión desde hace muchos años

O mejor dicho, la descontrolamos. Por desgracia, la fusión es un proceso que se ha aprendido a usar hace muchos años con un fin bastante desagradable. Edward Teller y Stanislav Ulam fueron los principales responsables del primer diseño estable de la bomba H (o bomba de hidrógeno, o bomba termonuclear). Si leísteis mi entrada sobre los métodos Monte Carlo, el problema sobre el que estaban trabajando Ulam, Metropolis y otros científicos era precisamente una de las partes de esta bomba, una parte del proceso Teller-Ulam.

¿Cómo funciona el proceso Teller-Ulam?

Se trata de un proceso que sigue varias etapas. Para empezar, veamos como sería la configuración de la bomba inicialmente:

Configuración Teller-Ulam

La etapa primaria es una bomba de fisión estándar, mientras que la segunda etapa se trata de un cilindro de uranio en cuyo interior se encuentra el combustible para la fusión y un cilindro de plutonio que servirá para iniciar la reacción de fusión.

El primer paso del proceso consiste en la detonación de unos explosivos que comprimen el material fisible de la etapa inicial (Primary), provocando la fisión del material.

Al producirse la fisión, se genera una gran cantidad de rayos X, que se dispersan a lo largo de la bomba reflejados por el recubrimiento de la misma y convierten la espuma de poliestireno que divide las etapas en plasmas. La etapa secundaria se comprime y el plutonio interno de la segunda etapa (fissile sparkplug) comienza a fisionarse.

En estos momentos, el combustible de fusión se encuentra comprimido y a una altísima temperatura, por lo que comienza el proceso de fusión. El material utilizado para la fusión es un compuesto de Litio 6 y deuterio que produce las siguientes reacciones, entre otras:

  • ^6Li + Neutron = ^3H + 3^He + Energia (El litio junto a los neutrones producidos por el cilindro de plutonio genera tritio ($^3H) y helio)
  • ^2H + ^3H = ^4He + Neutron + 17.6 MeV (Gracias al tritio generado anteriormente, tenemos la reacción que ya conocemos tritio-deuterio)

Los neutrones producidos por la fusión del tritio y el deuterio provocan que el uranio (U-238) que recubre la segunda etapa comience un proceso de fisión y en ese instante el infierno está servido.

Operation_Castle_-_Romeo_001

Test de bomba termonuclear Castle Bravo en 1954

Así que las mismas reacciones que de forma controlada se usarán en el ITER, de forma descontrolada sirven para hacer funcionar el arma más devastadora que ha inventado la humanidad.

Es triste pensar en lo rápido que se llegó al aprovechamiento de la fusión en la creación de armas y la lentitud que está teniendo su desarrollo como fuente de energía. Solo nos queda esperar que en los próximos años se consiga dar el paso definitivo para la obtención de la energía de la fusión. De conseguirlo, podría abrirse una nueva época para la humanidad, una época en la que podríamos disponer de una fuente prácticamente ilimitada de energía y, sobre todo, limpia.

Y aquí termino de la mejor forma posible, con uno de los científicos más importantes en el campo de la fusión nuclear: Steven Cowley.

Referencias y lecturas recomendadas

Imagen del primer Tokamak en alltheworldstokamaks.wordpress.com

Página oficial del proyecto ITER

Intervención de Steven Cowley en el programa REDES

Física para la ciencia y tecnología (Física moderna), 6ª Edición. Tipler, Mosca. Editorial Reverte.

Adventures of a Mathematician. S.M. Ulam. University of California Press

La carrera hacia la bomba de hidrógeno en AtomicArchive.com

Thermonuclear Weapon en Wikipedia

Calcula tu defecto de masa atómica en número de bombas de Hiroshima

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Publicado el 9 diciembre, 2012 en Física aplicada y etiquetado en , , , , , , , , , . Guarda el enlace permanente. 5 comentarios.

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