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La mirada del mendigo

14 agosto 2010

Fusión nuclear y no fisión

Archivado en: energía — Mendigo @ 8:31

Continuo con la serie de entradas relacionadas con la energía, tocando el tema de la fusión nuclear.

Lo primero que debo dejar claro es que es una tecnología que está ya super-desarrollada, que no debéis confundir con la fisión nuclear que se da en las centrales atómicas al uso. Si todo va según lo planeado, las primeras centrales comerciales de fusión se empezarán a construir allá por el 2050, porque son unos rastreros, Pero nadie puede predecir el futuro de la investigación, y que no nos topemos en este tiempo con dificultades, no insolubles, pero que el estado actual de la ciencia y la tecnología no sea capaz de abordarlas, y tengamos que esperar varios siglos.

¿Qué es la fusión nuclear ó fusión fría?

Es la unión de dos átomos de elementos ligeros para formar uno más pesado. Al producirse esta unión, se libera una gran cantidad de energía limpia.

Pero ¿de dónde viene esta energía?

Para ello, tendré que refrescaros un poco la memoria, y explicar antes un par de cosas.

Los isótopos:

Los núcleos de los átomos están constituidos, como nos enseñaban en el cole, por protones y neutrones. Los primeros con una carga unitaria positiva y, los segundos, sin carga. Orbitando en torno al núcleo están los electrones, en diferentes niveles de energía.

Lo que determina de qué elemento se trata es el número de protones (número atómico). Un átomo con 26

protones podemos asegurar con certeza que es un átomo de hierro (Fe). Sin embargo, ese átomo de Fe puede tener un número indeterminado de neutrones. El 91% del hierro que se encuentra en la naturaleza es ⁵⁶Fe, es decir, tiene 30 neutrones (el numerito en pequeño se le conoce como masa atómica, y es la suma de protones y neutrones en ese átomo). Pero también existe el ⁵⁴Fe, con 28 neutrones, y el ⁵⁷Fe con 31 neutrones…incluso hay un hierro que es radioactivo, el ⁵⁹Fe, que tiene 33 neutrones. Sí, sí, hierro radioactivo. Y todo ello es hierro, indistinguible, con las mismas propiedades químicas (es decir, se oxida igual, permite formar aceros al asociarse con el carbono, las mismas aleaciones…). Estos diferentes tipos de hierro se les conoce como isótopos, y sólo pueden ser diferenciados por una leve variación de sus propiedades físicas, en concreto, la densidad (ese neutrón de más o de menos no afecta a la carga y, por lo tanto, a sus propiedades químicas, pero tiene una masa que se refleja en la escala macroscópica).

Los isótopos del hidrógeno:

Todo átomo de hidrógeno, el elemento más simple, tienen un protón. Pero hay tres tipos, sabores o, más técnicamente, isótopos del hidrógeno:

- Protio (¹H), cuyo único protón no tiene la compañía de ningún neutrón. La enorme mayoría del hidrógeno que existe en el mundo es de este tipo.

- Deuterio (²H). Uno de cada 6500 átomos de hidrógeno es de deuterio, el isótopo de hidrógeno que tiene un neutrón y un protón.

- Tritio (³H). Este isótopo tiene dos neutrones. Se produce de forma natural por el bombardeo neutrónico de los rayos cósmicos sobre los átomos de nitrógeno de la atmósfera, que los divide en un átomo de carbono y otro de tritio. Sin embargo, es muy difícil encontrarlo en la naturaleza porque es radioactivo, es decir, inestable, y se transforma en helio emitiendo un electrón (radiación β). La vida media de este isótopo es de 12 años, es decir, al cabo de ese tiempo la mitad de una cantidad de tritio habrá decaído transformándose en helio. Es imposible predecir en qué momento un átomo radioactivo se descompondrá; sin embargo, podemos saber estadísticamente cuánto tarda de media. Es más, es una de las medidas más exactas y nos sirve para, por ejemplo, la datación por radiocarbono en prehistoria.

Podemos beber agua formada por átomos de deuterio y no nos daríamos cuenta. Porque es agua. La única diferencia es que el vaso de agua formada por deuterio pesa un 10% más (agua pesada), se congela a 3ºC y bulle a 101ºC. Por lo demás, podríamos hacer un caldo con ella, o un café, que tampoco notaríamos la diferencia.

Ahora que ya conocemos un poco más de la estructura atómica, podemos seguir con la fusión nuclear.

La reacción más sencilla para llevar a cabo una reacción de fusión nuclear es uniendo un átomo de deuterio (²H) con otro de tritio (³He), para dar un átomo de Helio-4 (⁴He ó partícula α).

Un protón y un neutrón del deuterio, un protón y dos neutrones del tritio dan lugar a dos protones y dos neutrones del Helio. ¿?¿?¿ Nos sobra un neutrón. Efectivamente, como vemos en el gráfico, esta reacción emite

un neutrón a gran velocidad (unos 52.000 km/s, la sexta parte de la velocidad de la luz) y, por lo tanto, muy energético.

La energía del átomo de helio la podemos usar para mantener la reacción, mientras que esos neutrones-perdigones podemos recogerlos (detenerlos) transformando su energía cinética en calor y obteniendo un montón de energía.

¿Cuánta? Muchísima, una burrada. Un orden de magnitud superior a la fisión del uranio por unidad de masa, y millones de veces más poderosa que una reacción química (como, por ejemplo, la combustión).

Pero ¿de dónde viene esa energía? Es verdad, que aún no lo he explicado. Si ponemos en una balanza el átomo de deuterio y el de tritio, y luego pesamos el de helio más el perdigón, perdón, el neutrón que ha salido disparado, notamos que ha habido una pérdida de masa. ¿Cómo? ¡Nos han timado! No, es que ese exceso de masa (masa media por nucleón) se ha convertido, como genialmente predijo Einstein, en energía.

Expliquémonos un poco más. Un átomo no pesa lo mismo que la suma de las masas de los protones y los neutrones que lo forman, sino un poco menos. Parte de esa masa se ha transformado en la energía de ligadura (fuerza nuclear fuerte), que mantiene todos esos elementos unidos. Los elementos más estables son los de número atómico intermedio (el hierro, el níquel…), es decir, son los que han gastado más masa en crear una gran energía de ligadura. Por contra, los elementos más pesados (como el uranio, el plutonio) o los más ligeros (como el hidrógeno o el helio), al evolucionar hacia los elementos intermedios (por fisión en el caso de los pesados, por fusión en caso de los ligeros), liberan una energía que es ese exceso de masa para formar el átomo siguiente.