martes, 7 de octubre de 2014

Fusión nuclear

Energía estelar al alcance de la mano


Sentarse a observar el cielo en una noche despejada puede conmovernos y llevar nuestra imaginación hasta límites insospechados. Una pareja de enamorados podría comentar lo romántico que es estar sentados bajo un cielo estrellado, mientras sienten que navegan en un mar de luciérnagas. Un padre podría enseñarle a su hijo dónde está la Osa Menor, o el Cinturón de Orión para decirle que ya vienen los Reyes Magos. Algunos soñadores incluso podrían imaginarse atravesando el universo en naves intergalácticas a la velocidad de la luz. Pero ciertamente es poco común oír a alguien comentar “mira todos esos reactores fusionando núcleos atómicos, imagina la cantidad de elementos que se están creando en su interior”.

Las luces del universo
La mayoría de los elementos de la tabla periódica se originan en las estrellas, donde se acumula la energía suficiente para que los núcleos de dos átomos pequeños, como el hidrógeno, se fusionen y formen átomos más grandes, como el helio. A este proceso se le llama Fusión Nuclear y es el responsable de que las estrellas brillen.

Todo comienza en el origen mismo de las estrellas. Dentro de las nebulosas (nubes de gas y polvo en el espacio), existen algunas partículas más masivas que otras, las cuales, por efecto de la fuerza de gravedad, atraen a las partículas menores.

Como las burbujas de jabón que flotan sobre el agua, los cúmulos grandes atraen a los pequeños, hasta que se forman grandes masas de espuma, o en el caso de las nebulosas, acumulaciones de polvo y gas. A medida que estas crecen, la atracción gravitacional que ejercen se incrementa y aumenta la presión en sus núcleos.

La fuerza con que los átomos están siendo comprimidos en el centro de estos cúmulos es muy grande, y genera temperaturas tan altas que los átomos se desarman y los electrones comienzan a desplazarse libres, mientras los núcleos quedan “desnudos”. A este estado de electrones y núcleos disociados, moviéndose y chocando unos con otros, se le llama plasma.

La energía del plasma sigue aumentando por efecto de la gravedad y de los continuos choques entre partículas, hasta que los núcleos colisionan con tal fuerza que se fusionan. En ese momento se dice que el plasma entra en combustión, y se empiezan a formar nuevos elementos. La energía resultante se libera en forma de luz, calor y otros tipos de radiación que forman el viento solar. Dicho de otro modo, “ha nacido una estrella”. 

Estrellas en miniatura
Las primeras reacciones de Fusión Nuclear que el hombre provocó ocurrieron en estallidos de bombas nucleares. Estos eventos no ocurrieron en condiciones controladas, pero la gran cantidad de energía que produjeron motivó a los físicos a analizar este fenómeno en instalaciones adecuadas y sin el riesgo de volar medio continente por los aires.

La Fusión Nuclear podría llegar a ser una fuente de energía muy importante en el futuro, mucho más eficiente que los reactores actuales que trabajan con Fisión Nuclear (proceso inverso a la Fusión, en el cual los átomos grandes se rompen para formar átomos más pequeños y liberar energía), ya que con una cantidad menor de combustible se puede obtener más energía. Además, los residuos radioactivos del proceso de Fusión serían peligrosos por un periodo máximo de 100 años, mientras que los residuos de los reactores actuales emitirán radiación peligrosa por miles de años.

No es fácil domar a un sol
Para obtener reacciones de fusión nuclear se tiene que recrear lo que pasa en las estrellas, es decir, generar plasma y una gran cantidad de energía para hacerlo entrar en combustión. Una forma de lograr esto es el método es el de “confinamiento magnético”, que funciona haciendo que un gas circule por una cámara en forma de dona, mientras enormes magnetos lo comprimen en un haz delgado. Este aparato llamado Tokamak, comienza a elevar la temperatura para que aumente la fuerza con que los núcleos chocan y producir así el plasma. Con este método se han logrado reacciones de fusión largas y estables, pero no se ha alcanzado la energía necesaria para que un plasma entre plenamente en combustión. Además, la energía que se necesita para iniciar el proceso es mayor que la que se obtiene de la reacción. 



Siete socios (La Unión Europea, Corea del Sur, China, India, Japón, Rusia y Estados Unidos) están construyendo el proyecto ITER en Cadarache, Francia, en el que se planea generar 10 veces más energía mediante reacciones de fusión que la que se emplea en calentar el plasma. Se planea que ITER inicie operaciones hacia el 2020. Simultáneamente se han empezado a trabajar el proyecto denominado DEMO, en el que por primera vez se planea contribuir con energía para la red eléctrica.

ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor)es un Tokamak que se está contruyendo en Francia con fondos de una colaboración internacional 

También existe el método de “confinamiento inercial”, el cual consiste en sellar la sustancia que se convertirá en plasma dentro de una cápsula con superficie volátil. Posteriormente, se bombardea la cápsula en varios puntos con rayos láser. Cuando el material de la cubierta reacciona, la explosión comprime el combustible hacia el centro, como lo haría la fuerza de gravedad en las estrellas. Esto lo transforma en un plasma, que posteriormente entra en combustión. Recientemente se han hecho avances en la producción de energía utilizando este método en la National Ignition Facility (NIF) en California, EUA, mismos que se publicaron en la edición de febrero de 2014 de la revista Nature. Desafortunadamente, las reacciones de Fusión generadas por este método duran muy poco tiempo y son demasiado inestables como para aprovecharlas. 

         
Estos experimentos aún se enfocan en comprender el comportamiento de los plasmas en combustión, por lo que es muy pronto para decir cuando, o incluso si sería posible utilizar la Fusión Nuclear para generar energía de manera comercial, pero podría ser que en el futuro lleguemos a tener pequeñas estrellas como corazones palpitantes de nuestras ciudades.