La fusión nuclear es la reacción que se produce en el corazón de las estrellas, en la que dos núcleos atómicos ligeros se fusionan en un solo núcleo más pesado. Fusion produce muy pocos desechos nucleares y no emite gases de efecto invernadero, lo que significa que durante mucho tiempo se ha promocionado como una posible alternativa limpia a las fuentes de energía convencionales. Pero, ¿qué impulsa este proceso? ¿Y podría alguna vez convertirse en una fuente de energía comercial viable?
¿Qué es la fusión?
La fusión ocurre cuando dos átomos livianos se unen o fusionan para formar uno más pesado. La masa total del nuevo átomo es menor que la de los dos que lo formaron; la masa «faltante» se emite como energía, como se describe por de albert einstein famosa ecuación «E=mc^2».
Por lo general, los núcleos atómicos se repelen porque tienen la misma carga. Se requieren altas temperaturas, presiones o ambas para superar esta repulsión. En la Tierra, las temperaturas en los reactores de fusión nuclear alcanzan casi seis veces las que se encuentran en el núcleo del sol, según Laboratorio Nacional de Oak Ridge. A este calor, el hidrógeno ya no es un gas sino un plasma, un estado de la materia de energía extremadamente alta en el que los electrones son arrancados de sus átomos.
La fusión difiere de la fisión, que divide los átomos y da como resultado una cantidad considerable de desechos radiactivos, que son peligrosos.
La fusión es la fuente dominante de energía para las estrellas en el universo. También es una fuente de energía potencial en la Tierra, si los científicos pueden descubrir cómo obtener más energía de la reacción de la que requiere para iniciarla. Cuando se inicia una reacción en cadena intencionalmente descontrolada, la fusión nuclear impulsa la bomba de hidrógeno. La fusión también se está considerando como una posibilidad para impulsar naves a través del espacio.
Energía de fusión nuclear
El «Santo Grial» de la energía limpia es generar energía comercial a partir de reacciones de fusión nuclear.
Los científicos han perseguido este objetivo durante décadas. La fusión es una alternativa tan atractiva a las fuentes de energía existentes porque produce poco o nada de desechos radiactivos o gases de efecto invernadero y requiere ingredientes relativamente simples. La clave de este sueño de energía limpia ilimitada es producir más energía a partir de la reacción de la que se necesita para producirla.
En 2022, los científicos de la Instalación Nacional de Ignición (NIF) del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore anunciaron que, por primera vez, un núcleo de fusión nuclear produjo más energía de la que consumió. La instalación de ignición utiliza rayos láser para confinar un plasma de deuterio y tritio, dos isótopos o versiones del hidrógeno. Pero los expertos dicen que es probable que falten décadas para un reactor de fusión comercial viable. Eso es porque para calentar el plasma, los científicos deben extraer energía de la red eléctrica. Entonces, para que la reacción sea viable, la energía producida por la reacción también debe tener en cuenta la cantidad considerable de energía perdida a medida que la electricidad se convierte en la luz que alimenta los láseres.
Fusión deuterio-tritio: La combinación más prometedora de energía en la Tierra hoy en día es la fusión de un átomo de deuterio con uno de tritio para crear un átomo de helio. El proceso, que requiere temperaturas de aproximadamente 72 millones de grados F (39 millones de grados Celsius), produce 17,6 millones de electronvoltios de energía.
Los experimentos actuales con la fusión de deuterio-tritirum están en curso en el Instalación Nacional de Fusión DIII-D en San Diego, California. El mayor reactor nuclear potencial, el proyecto iter en el sur de Francia, que aún está a años de su finalización, también utiliza estos dos isótopos para impulsar su reacción. A diferencia del reactor NIF, el proyecto ITER utiliza potentes imanes para dirigir el plasma de hidrógeno alrededor de un reactor en forma de rosquilla, llamado tokamak.
El deuterio es un ingrediente prometedor porque es un isótopo de hidrógeno que contiene un solo protón y un neutrón, pero ningún electrón. A su vez, el hidrógeno es abundante en el agua. Un galón de agua de mar (3,8 litros) podría producir tanta energía como 300 galones (1.136 litros) de gasolina.
El tritio contiene un protón y dos neutrones. Se produjo en grandes cantidades durante las pruebas de misiles nucleares en el siglo XX, pero su vida media es de unos 12 años, lo que significa que la mitad de la cantidad se descompone en ese período de tiempo. Los científicos del ITER han propuesto fabricar tritio en grandes cantidades bombardeando litio, un elemento que se encuentra en la corteza terrestre, con neutrones.
Fusión deuterio-deuterio: Teóricamente más prometedor que el deuterio-tritio debido a la facilidad de obtener los dos átomos de deuterio y los mayores rendimientos energéticos que produciría, este método también es más desafiante porque requiere temperaturas extremadamente altas para funcionar. Varios reactores de fusión nuclear de prueba pueden alcanzar temperaturas de alrededor de 270 millones F (150 millones C), según ITER. Sin embargo, una reacción únicamente deuterio-deuterio requeriría temperaturas de al menos 720 millones a 900 millones F (400 millones a 500 millones C), según eurofusiónun consorcio de institutos nacionales de fusión ubicados en toda Europa.
Hasta el momento, la única instalación capaz de iniciar la reacción deuterio-deuterio es el Toro común europeo (JET), que solo lo ha logrado fugazmente, según EuroFusion.
Reacciones de fusión en estrellas
Fusión protón-protón: El impulsor dominante de estrellas como el sol con temperaturas centrales por debajo de 27 millones F (15 millones C), la fusión protón-protón comienza con dos protones y finalmente produce partículas de alta energía como positrones, neutrinos y rayos gamma. Para lograr la fusión a temperaturas tan bajas, las estrellas dependen de presiones aplastantes de más de 200 mil millones de veces la presión atmosférica en la Tierra, según Universidad de Virginia Occidental.
Ciclo del carbono: Las estrellas con temperaturas más altas fusionan átomos de carbono en lugar de átomos de hidrógeno. En este proceso, las estrellas comienzan con carbono-12 y recorren seis pasos diferentes para producir un núcleo de helio y otro átomo de carbono-12, según la Universidad de Swinburne. Centro de Astrofísica y Supercomputación.
Proceso triple alfa: Estrellas como las gigantes rojas al final de su fase, con temperaturas superiores a 180 millones F (100 millones C) fusionan átomos de helio en lugar de hidrógeno y carbono.
Recursos adicionales
Lea más sobre la fusión que alimenta las estrellas desde NASA. Este video describe cómo se está construyendo el reactor de fusión nuclear más grande. Y lea más sobre la carrera para construir dichos reactores en «The Star Builders: Fusión nuclear y la carrera para impulsar el planeta(Scribner, 2021).