Pequeño resumen sobre la fusión nuclear para trabajar dicho tema en las clases de 4º de ACT

1. FUSIÓN NUCLEAR
Hasta el momento no se emplea la fusión nuclear para la obtención de
energía ya que en el intento de reproducir en la Tierra las circunstancias que
ocurren de manera natural en las estrellas, para obtener energía nuclear útil,
chocan con un problema capital de momento no solucionado, como es el
vencer el fuerte campo eléctrico de repulsión que se establece entre dos
núcleos atómicos formados por partículas cargadas con el mismo signo, hasta
conseguir su fusión.
Para posibilitar que esto ocurra hay que suministrar energía adicional, que de
momento hasta que la tecnología lo permita, es mayor que la energía
recuperada, lo que hace inviable su rendimiento.
Las reacciones de termonucleares o reacciones nucleares de fusión consisten
en la unión de núcleos de átomos ligeros para producir otros núcleos más
pesados, liberándose gran cantidad de energía.
Estas reacciones ocurren constantemente en el Sol y en las estrellas. Nuestro
Sol es un reactor de Fusión nuclear. Pero la masa mínima necesaria para que
se produzca de forma natural equivaldría a 1/10 de la masa del Sol.
En la Tierra, se está intentando reproducir estas reacciones para disponer de
una fuente de energía inagotable y solucionar futuros problemas de
abastecimiento energético.
Los elementos atómicos empleados en estas reacciones nucleares son el
hidrógeno y sus isótopos deuterio y tritio.
Entre las posibles reacciones nucleares a utilizar en un reactor fusión térmica
están:
D+T -> 4He +n+ 17,6 Mev
D+D -> 3He +n+ 3,2 Mev
D+D -> T +p+ 4 Mev
En estas reacciones se produce una elevada liberación de energía, que
aparece en forma de energía cinética de los productos que aparecen en la
reacción, y que al interaccionar con el resto de los elementos del medio
producen una elevación de la temperatura.
De los materiales utilizados en estas reacciones:
El deuterio (isótopo del hidrógeno 21H) no es radiactivo y se presenta en forma
natural (en el agua del mar) y es prácticamente ilimitado en la naturaleza.
El tritio (isótopo del hidrógeno 31H) aunque escaso en la naturaleza permite ser
generado mediante reacciones de captura neutrónica con los dos isótopos del
litio (Li-6 y Li-7) material abundante en la corteza terrestre y en el agua del
mar. No se presenta de forma natural y además es radiactivo, pero la reacción
1

2. deuterio-tritio libera una mayor cantidad de energía y la temperatura a la que
tiene lugar la fusión es considerablemente menor que las otras.
La energía nuclear de fusión es una fuente inagotable por la gran abundancia
de los elementos usados en dichas reacciones y se ha pensado en ella para
resolver el problema energético futuro. Sin embargo no se ha podido utilizar ya
que para lograr las reacciones de fusión es necesario suministrar a los núcleos
una cierta cantidad de energía, y obtener de las reacciones una energía mayor
que la consumida, lo que no se ha conseguido aún (no se ha obtenido de las
reacciones una energía mayor que la consumida).
Para que se produzca la fusión de un núcleo de deuterio con uno de tritio es
necesario aproximar los núcleos hasta una situación en la que reaccionen
perdiendo su identidad, con formación de un núcleo de helio y de un neutrón,
con una cierta liberación de energía. Para hacer que los núcleos puedan
acercarse se deben vencer las fuerzas de repulsión, y para ello es necesario
calentar el medio hasta temperaturas muy elevadas (millones de grados)
transformándose el medio en un plasma, formado por iones y electrones.
En estas condiciones, los iones y electrones tienden a seguir caminos
independientes, pudiendo incluso no reaccionar entre sí. Para que tengan lugar
las reacciones de fusión, una vez alcanzadas las condiciones mínimas, es
preciso confinar el plasma para que no escapen las partículas y puedan
reaccionar la mayor parte de los núcleos, y obtener la mayor cantidad de
energía posible.
Luego, para efectuar reacciones de fusión la condición necesaria es llevar el
medio a una temperatura elevada, pero para que la fusión sea rentable
energéticamente, es necesario obtener el mayor número de reacciones de
fusión entre los núcleos de un volumen determinado, para lo cual el plasma
deberá confinarse el mayor tiempo posible.
En resumen, para conseguir la fusión se requerirían temperaturas del orden de
10.000.000 º C. El principal problema no consiste en conseguir esta
temperatura sino en mantenerla y en encontrar un material de confinamiento
que las soporte.
A estas temperaturas tan altas la materia adquiere un nuevo estado "PLASMA"
Es un gas ionizado. En EL universo esto es algo natural. El 99% del universo
se encuentra en este estado.
En la actualidad no se consigue la energía suficiente para mantener la
temperatura del plasma y por tanto el número de fusiones que se producen por
unidad de tiempo no es suficiente. El reactor se detiene cada cierto tiempo y
debe volverse a calentar por lo que la energía consumida es demasiado alta.
El calentamiento se consigue por diferentes medios:
- Haciendo pasar el plasma por una corriente eléctrica. ( Se consiguen
de 20-30 millones de grados).
2

3. - Por introducción de rayos neutros: Se introducen átomos de alta
energía y el calentamiento se produce por choque de partículas.
- Compresión magnética: Al comprimir el gas aumenta su densidad y el
choque de partículas.
- Microondas: Ondas de alta frecuencia producen movimiento y choque
de partículas.
- Compresión inercial: Utiliza intensos haces de láser o partículas
cargadas para comprimir muy rápidamente el combustible
El otro problema es el confinamiento, es decir, mantener la materia en estado
de gas ionizado o plasma, encerrada en la cavidad del reactor un tiempo
suficiente para que se dé el número de reacciones deseadas.
En la actualidad la tecnología de fusión está utilizando dos vías:
- CONFINAMIENTO MAGNÉTICO → Las partículas se mueven dentro de
un campo magnético que les sirve como vasija.
Se puede realizar en:
 SISTEMAS CERRADOS : entre los que se encuentran los reactores
tipo TOKAMAK (tipo toroidal), STELLARATOR, SPHEROMAK
En España en el CIEMAT está uno de los tres STELLERATOR más
importantes del mundo. Hoy día se ha conseguido por separado:
450.000.000 ºC.
Tiempo de confinamiento: 1,8 ´´ ( Se necesitan 3´´)
Presión de confinamiento conseguida
Densidad de confinamiento: (Se necesita una nueva generación de
maquinaria).
En Europa el JET es el Toramak más grande construído hasta la
actualidad. Ya se ha conseguido en él la fusión que llegó a producir
un pico de hasta 16 mW y 5 mW durante 6´´ (aunque se consumieron
23 mW)
En la actualidad se están construyendo los elementos para un nuevo
modelo llamado PROYECTO ITER.
 SISTEMAS ABIERTOS: entre los que se encuentran los espejos
magnéticos (dispositivo lineal), los aparatos de implosión interna....
- CONFINAMIENTO INERCIAL → Consiste en efectuar las fases de
calentamiento y confinamiento al mismo tiempo, usando el mismo
dispositivo suministrador de energía.
3