QUÍMICA NUCLEAR

FUSIÓN NUCLEAR

 
 

El proceso de fusión de núcleos muy ligeros para dar otros más pesados es extremadamente eficaz para producir energía. Esto es consecuencia del aumento de estabilidad de los núcleos al aumentar el número atómico. En la figura anterior podemos observar que en esa zona de valores de Z la curva de energía de unión nuclear por nucleón tiene una gran pendiente positiva.

La reacción de fusión nuclear más importante es la que se produce en las estrellas.

 

El proceso de fusión de átomos de hidrógeno explica la energía liberada por el Sol. La cadena de reacciones de fusión que convierten continuamente hidrógeno en helio en las estrellas es la siguiente: En primer lugar dos protones se fusionan para dar un núcleo de deuterio y un positrón. Posteriormente, el núcleo de deuterio se fusiona con otro protón para producir un núcleo de He-3. Seguidamente, dos núcleos de He-3 se fusionan para dar un núcleo de He-4 y dos protones.

El resultado neto es la fusión de cuatro protones en una partícula alfa, con la emisión de dos positrones, dos neutrinos y energía. Globalmente puede representarse de la siguiente manera:

Para que ocurra la fusión de los protones es necesario vencer la repulsión electromagnética, por ello, necesita de unas condiciones extremas para que se produzca. En el Sol ocurre en el núcleo, en un ambiente de unos 14 millones de kelvin.

En estrellas más masivas que el Sol, en cuyos núcleos se alcanzan mayores temperaturas, existe un ciclo de fusión alternativo al protón-protón. Es el ciclo CNO (ciclo Bethe-Weizsäcker)

El resultado neto del ciclo es también la fusión de cuatro protones en una partícula alfa y dos positrones y dos neutrinos, liberando energía en forma de rayos gamma. Los núcleos de carbono, oxígeno y nitrógeno sirven como catalizadores y se regeneran en el proceso.

 

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REACTORES NUCLEARES

Para producir reacciones de fusión nuclear hacen falta temperaturas del orden de decenas de millones de kelvin. A día de hoy, el ser humano ha resuelto el problema en el ámbito bélico pero no en el civil. En el caso de las bombas termonucleares (bomba H) el problema de la temperatura se ha resuelto haciendo detonar una bomba nuclear de fisión que inicia la reacción de fusión posteriormente. De esta manera se han hecho detonar artefactos que tenían potencias de decenas de megatones (millones de toneladas de TNT) (Bomba del zar).

El uso de la fusión nuclear para obtener energía de forma controlada todavía no ha sido resuelto. A las temperaturas de millones de kelvin, las moléculas están disociadas en átomos y éstos están ionizados formando un plasma. Se entiende que el control de este tipo de sistemas requiera tecnologías que están en desarrollo o simplemente no existen. Los dos enfoques que se están utilizando son el de confinamiento magnético y el de bombardeo con láser.

El proyecto ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) corresponde con el primero de ellos y su instalación está situada en Cadarache (Francia) . En ella colaboran 35 países para construir el Tokamak más grande del mundo. Este es un dispositivo de fusión magnética diseñado para demostrar la viabilidad de la fusión como fuente de energía a gran escala.

Para iniciar el proceso, el aire y cualquier impureza es evacuada de la cámara de vacío. A continuación se conecta el campo magnético que ayudará a confinar y controlar el plasma y se introduce el combustible gaseoso. Se hace pasar una corriente eléctrica muy intensa a través de la vasija haciendo que las moléculas se rompan y los átomos se ionizen formando el plasma. A medida que aumenta la energía del plasma las colisiones entre partículas son cada vez más fuertes y el plasma se calienta alcanzando temperaturas de 150 a 300 millones de kelvin. En esas condiciones, los choques son capaces de superar la repulsión eléctrica y producir fusión liberando gran cantidad de energía.