FUSIÓN: La Fuente de Energía del Universo

Capturando al Sol en el planeta

Por Abel Segura*

Un proyecto de obtención de energía limpia y renovable es el Reactor Termonuclear Experimental International, o ITER por sus siglas en inglés, en el cual se busca obtener energía con el mismo principio que lo hacen las estrellas y el Sol. La energía que nos llega del Sol en forma de luz y calor, se obtiene a través de un fenómeno llamado fusión nuclear.

Los átomos nunca están quietos, y a mayor temperatura, más rápido se mueven. En el centro del Sol, donde las temperaturas alcanzan 15 millones de grados Celsius, los átomos de Hidrógeno están en un constante estado de agitación, y a medida que colisionan unos con otros, la repulsión electrostática que existe entre las cargas positivas de sus núcleos se supera, y los átomos finalmente se fusionan. La fusión de estos átomos de hidrógeno produce un elemento más pesado, el Helio.

La masa del átomo de Helio resultante no es la suma exacta de los átomos iniciales, como nos sería lógico imaginar. Algo de masa se ha perdido en el proceso y grandes cantidades de energía se han ganado a la vez. Esto es lo que la famosa fórmula de Einstein, E=mc2, describe: Una pequeña cantidad de masa (m) perdida, multiplicada por el cuadrado de la velocidad de la luz (c2), da lugar a una gran energía (E), que es la cantidad de energía creada por una reacción de fusión. 

Cada segundo, el Sol transforma 600 millones de toneladas de hidrógeno en Helio, liberando una enorme cantidad de energía. Sin embargo, en la Tierra no se tienen las mismas condiciones de fuerzas de gravedad que se tienen en el Sol, por lo que se requiere hacer un "pequeño" cambio si se desea obtener ese mismo resultado.

La reacción de fusión más eficiente en el laboratorio es la

reacción entre dos isótopos de hidrógeno deuterio (D) y tritio (T).

La fusión de estos átomos de hidrógeno de luz produce una 

más pesado elemento, helio y un neutrón

Es bien sabido por los científicos, que la reacción de fusión más eficiente en el laboratorio es la que ocurre entre dos isótopos del Hidrógeno: Deuterio (D) y Tritio (T). 

Los átomos están compuestos por tres partículas elementales; un neutrón y protón, que componen el núcleo (de carga neutra y positiva, respectivamente). Y el electrón, de carga negativa, que se encuentra en orbitales fuera del núcleo. 

Un isótopo es un átomo que en su núcleo tiene el mismo número de protones pero distinto de neutrones.

La reacción de fusión Deuterio-Tritio produce la ganancia de energía más alta a a temperaturas relativamente bajas. No obstante, se requieren temperaturas de 150,000,000 °C - una cantidad 10 veces más alta que la reacción de hidrógeno que se produce en el Sol-.

Tres, dos, uno... Hagamos  plasma!

Foto: CCFE, JET

Para que lo anterior sea posible se encuentra en proceso de fabricación una máquina llamada TOKAMAK (acrónimo ruso para Cámara Toroidal con Bobinas Magnéticas). Se trata de reactores de fusión nuclear, los cuales comprimirían los átomos de Deuterio y Tritio, no por gravedad sino con campos magnéticos masivos. Estos reactores TOKAMAK han existido desde hace años, sin embargo no se ha logrado generar la energía suficiente para mantener la reacción de fusión. Con los cáuclos relaizados por ingenieros y físicos, se ha llegado a la conclusión de que se necesita un reactor TOKAMAK cíclio, de forma similar a la de una dona -un toroide-. 

¿Qué sucede en el corazón del TOKAMAK?

En el interior de este reactor, al alcanzar grandes temperaturas y presiones extremas, el Hidrógeno, Deuterio y Tritio se convierten en plasma.

Más del 99% del universo existe como plasma, incluyendo 

la materia interestelar, las estrellas y el Sol

Ejemplos de plasmas en la Tierra son: tubos de neón, 

rayos de la aurora boreal (aurora borealis), y el resplandor 

de los televisores de plasma.

El plasma es un estado de la materia parecido al gas. Pero a diferencia de los gases ordinarios, el plasma está hecho de átomos en los que algunos o todos sus electrones han sido 'arrancados' de sus orbitales, y los núcleos cargados positivamente (llamados iones) se mueven libremente.

Cuanto más caliente esté el plasma, sus partículas tendrán mayor energía y habrá más choques entre ellas. Las colisiones que existirán entre las partículas serán tan grandes que superarán la energía de repulsión generada (positivo con positivo se repele, el mismo principio que en un imán) y así lograrán fusionarse, liberando una gran cantidad de energía.

En el TOKAMAK toda la energía obtenida de fusión será captada en forma de calor por las paredes internas del reactor. Y al igual que que sucede en cualquier otra planta de energía, hidroeléctrica o nuclear, se utilizará este calor para calentar agua y generar vapor,  proceso que después generará energía eléctrica por medio de turbinas y generadores. 

La diferencia que existe entre los reactores de fusión nuclear y los de fisión (los que actualmente funcionan), es que los primeros no generarán desechos radioactivos ni contaminantes como el CO2, ya que el Helio resulta ser inocuo, y éste es el caso del proyecto ITER.

Todas las investigaciones del proyecto ITER tendrán resultados para 2020, y a principios de 2030 se estará probando la generación de energía eléctrica para consumo de la población. Aunque aún falten varios años para llevarlo acabo, este proceso abre una gran posibilidad para la eliminación del uso de los combustibles fósiles y pasar a una nueva generación de energías limpias. 

El ITER (o 'camino' en latín) es un proyecto masivo en el cual participan varios países; Australia, China, India, Japón, Corea, Rusia, Estados Unidos en incluso la Unión Europea; ellos compartirán el costo de construcción y operación del proyecto. También compartirán los resultados experimentales y cualquier propiedad intelectual generada por el mismo.

La selección de una ubicación para el ITER fue un procedimiento largo, por lo que los miembros de ITER acordaron por unanimidad el sitio propuesto por la Unión Europea, determinando que la construcción sería en el sur de Francia.

*Químico

Abel.segura@hotmail.com

Facultad de Química - UNAM ~ 2016

Imágenes e información recuperadas de https://www.iter.org/