¿Qué es la fusión nuclear? – Definición y proceso

¿Qué impulsa el sol?

Sin nuestro sol, la vida en la Tierra no existiría. Es la luz y el calor que desprende lo que nos permite prosperar en nuestro planeta. Sin embargo, el sol mismo, nuestra estrella más cercana, está a casi 93 millones de millas de la Tierra. Para poder proporcionar luz y calor hasta nuestro planeta e incluso más allá, se requiere una gran cantidad de energía. El proceso que alimenta nuestro sol y le permite emitir tanta energía se llama fusión nuclear.

La fusión nuclear es una reacción en la que dos núcleos atómicos se fusionan para crear un núcleo más grande y en el proceso liberan energía. Puede ver una reacción de fusión como una colisión de automóvil que podría ver en una película. Dos autos chocan entre sí y quedan atrapados permanentemente mientras pequeños pedazos de ellos salen volando en todas direcciones. La fusión nuclear es muy parecida en la que los coches son núcleos atómicos y las pequeñas piezas son diversas partículas y ondas emitidas.

Fusión nuclear en estrellas

Las principales fuentes de fusión nuclear en nuestro universo son estrellas como nuestro sol. Cada estrella en el cielo está impulsada por alguna forma de fusión nuclear, incluido el ciclo de fusión del carbono, el proceso triple alfa y el tipo de fusión que ocurre comúnmente en nuestro sol, la fusión protón-protón. Las diversas formas de fusión nuclear se diferencian por los átomos iniciales que experimentan el proceso y el átomo resultante de la fusión.

La fusión nuclear ocurre en las estrellas debido a la presión y temperatura extremadamente altas en sus núcleos. En el núcleo de la estrella, el gas se ha calentado hasta el punto de convertirse en plasma. En un plasma , los electrones pueden salir de sus átomos asociados, creando un gas lleno de iones positivos y electrones libres. Se necesita presión para acercar los átomos lo suficiente como para fusionarse. Se necesita una temperatura alta para superar la fuerza de Coulomb entre los núcleos atómicos. La fuerza de Coulomb es la fuerza emitida por los objetos debido a la carga eléctrica. Los objetos con la misma carga se repelen y los objetos con cargas opuestas se atraen.

Los núcleos atómicos que se fusionan consisten en protones y neutrones. Dado que los protones tienen carga positiva y los neutrones no tienen carga, todos los núcleos atómicos tienen una carga neta positiva. Esto significa que se repelen entre sí y, en circunstancias normales, no se fusionarían. ¿Alguna vez ha intentado tocar dos imanes con los mismos polos? Intentan separarse entre sí de forma muy similar a como lo quieren hacer los dos núcleos cargados positivamente en la fusión atómica. Son las temperaturas extremadamente altas las que les dan la energía necesaria para superar la fuerza de Coulomb y fusionarse.

El tipo de fusión nuclear que ocurre en una estrella depende de su masa y edad. La alta temperatura y presión en una estrella son causadas por su propia gravedad que empuja hacia adentro. Cuanto más masiva es la estrella, mayor es la presión y la temperatura en su interior. Los tipos de átomos que se fusionan en una estrella pueden cambiar según la temperatura y la presión en la estrella.

Con respecto a la edad, los átomos de una estrella que se fusionan no son infinitos. A medida que la estrella envejece, habrá cada vez menos de estos átomos hasta que ya no pueda soportar la fusión a gran escala de ellos. La fusión en las estrellas libera una gran cantidad de energía que crea una fuerza de empuje hacia afuera, que se mantiene en equilibrio por la gravedad de la estrella que empuja hacia adentro. Cuando los átomos que se fusionan se están agotando, la fusión se ralentiza. Ahora, la fuerza de gravedad que empuja hacia adentro será mayor que la fuerza menor hacia afuera creada por la fusión, y la estrella comenzará a colapsar. Cuando ocurre este colapso, el ambiente dentro de la estrella puede cambiar de tal manera que se enciende un nuevo tipo de fusión, re-expandiendo la estrella.

Fusión nuclear en nuestro sol

El principal tipo de fusión nuclear que ocurre en nuestro sol se conoce como fusión protón-protón. En la fusión protón-protón , los átomos de hidrógeno se fusionan mediante varios pasos para convertirse finalmente en un átomo de helio-4. Inicialmente, dos átomos de hidrógeno chocan formando un solo átomo de deuterio, un positrón y un neutrino.

El deuterio es un isótopo de hidrógeno. Un isótopo tiene el mismo número de protones en su núcleo que la forma estándar de su elemento, pero un número diferente de neutrones. Un positrón es una partícula con la misma masa y magnitud de carga que un electrón, pero tiene una carga positiva en lugar de una negativa. Un neutrino es una partícula sin carga con una masa cercana a cero.

En el siguiente paso, el átomo de deuterio se fusiona con un protón para formar un átomo de helio-3 y, como resultado, emite un rayo gamma. Finalmente, el átomo de helio-3 se fusiona con otro átomo de helio-3 que se creó en el mismo proceso a partir de otros dos átomos de hidrógeno. Esto crea un resultado final de un solo átomo de helio-4 y dos protones.

Cabe señalar que el único átomo de helio-4 es más ligero que los cuatro átomos de hidrógeno que iniciaron este proceso para formarlo. Entonces, ¿qué pasó con toda esa masa extra de los átomos de hidrógeno con la que comenzamos? Bueno, de ahí es de donde obtenemos la enorme cantidad de energía que emite la fusión nuclear.

De la famosa fórmula de Einstein, sabemos que E = mc ^ 2 . En esta fórmula, E es energía, m es masa y c es la velocidad de la luz. La velocidad de la luz en el vacío es de 3 x 10 ^ 8 metros por segundo. Es un número enorme, y en la ecuación de energía de Einstein, está al cuadrado. Sabiendo eso y mirando el lado derecho de la ecuación, podemos ver que no se necesita tanta masa para producir mucha energía. Es por eso que la fusión nuclear produce una cantidad tan grande de energía.

Fusión nuclear en la Tierra

Si bien las estrellas siguen siendo la principal fuente de fusión nuclear, nosotros también en la Tierra hemos podido producir fusión nuclear artificialmente. El primer caso de fusión nuclear inducida artificialmente fue la bomba de hidrógeno. La bomba de hidrógeno recibe su nombre de los isótopos de hidrógeno, deuterio y tritio, que utiliza en el proceso de fusión.

Al igual que las estrellas de las que hablamos en la sección anterior, se requiere alta presión y alta temperatura para el proceso de fusión nuclear. Para obtener una temperatura y presión lo suficientemente altas dentro de la bomba, primero debe desencadenarse otra explosión de fisión nuclear. La fisión nuclear se diferencia de la fusión en que se produce al dividir un solo núcleo atómico, en contraste con la combinación de dos. La explosión de fisión está contenida dentro de la bomba el tiempo suficiente para elevar la temperatura y la presión, lo que desencadena el proceso de fusión responsable de la explosión de la bomba.

Reactores de fusión nuclear

Sin embargo, es posible que el futuro de la fusión nuclear artificial no se trate solo de la destrucción. Las plantas de energía de fusión nuclear se están considerando para el futuro. Hay un par de razones por las que una planta de energía de fusión nuclear sería superior a las plantas de energía de fisión nuclear ya existentes. Primero, serían mucho más seguros que los reactores de fisión nuclear, ya que cualquier fuga de radiación de ellos no estaría por encima de los niveles normales de radiación a los que las personas están expuestas por el mundo natural que las rodea. En segundo lugar, serían mejores para el medio ambiente al producir menos desechos radiactivos.

La dificultad de conseguir una planta de energía de fusión nuclear en funcionamiento proviene de los requisitos de alta presión y temperatura que ya sabemos que son necesarios para la fusión. Dos posibles formas de crear el entorno necesario para la fusión nuclear son el confinamiento magnético y el confinamiento inercial. Con el confinamiento magnético , el gas hidrógeno se calienta primero hasta el punto en que se convierte en plasma. Luego, se utilizan súper imanes para comprimir el plasma. Esta compresión crea la presión y la temperatura necesarias para la fusión nuclear.

En confinamiento inercial , un poderoso láser se enfoca en una pequeña pastilla que contiene los elementos necesarios para la fusión nuclear. Cuando el láser entra en contacto con el exterior del pellet, esa parte del pellet se evapora. Las partículas evaporadas de la pastilla son capaces de golpear la pastilla sólida restante con colisiones de alta energía. Estas colisiones comprimirán el gránulo, creando la temperatura y la presión necesarias para la fusión nuclear en su núcleo.

Resumen de la lección

La fusión nuclear es el proceso en el que dos núcleos atómicos se fusionan en un solo núcleo más grande, liberando energía en el proceso. La alta presión permite que los núcleos atómicos se acerquen lo suficiente entre sí para fusionarse. La alta temperatura permite que los núcleos atómicos superen la fuerza de Coulomb , que es la fuerza emitida por los objetos debido a la carga eléctrica, que normalmente los mantendría separados.

En nuestro sol, el principal tipo de fusión que se produce se conoce como fusión protón-protón. En la fusión protón-protón , cuatro átomos de hidrógeno se fusionan en un solo átomo de helio-4, liberando mucha energía en el proceso. Podemos ver por qué se libera tanta energía durante la fusión nuclear usando la famosa fórmula de Einstein: E = mc ^ 2 . La energía ( E ) es igual a la masa ( m ) multiplicada por la velocidad de la luz ( c ) al cuadrado, y c es un número muy grande. Por lo tanto, solo requiere una pequeña masa para crear mucha energía.

La fusión nuclear también se ha creado en la Tierra de forma artificial en bombas de hidrógeno. La alta temperatura y presión necesarias para la fusión en las bombas de hidrógeno se crea mediante una reacción de fisión nuclear creada y confinada dentro de la bomba antes de que ocurra la explosión de fusión. La fusión nuclear también se está considerando como una posibilidad para las centrales eléctricas, ya que es una forma de energía más segura y limpia que las centrales eléctricas de fisión nuclear tradicionales. Dos posibles tipos de reactores de fusión que podrían usarse para esto son el confinamiento magnético (que usa gas sobrecalentado y compresión magnética) y el confinamiento inercial (que usa láseres en los elementos requeridos).