Una reacción de fusión nuclear consiste en la unión de dos núcleos ligeros para formar un núcleo más pesado. La reacción da como resultado energías de enlace por nucleón más altas cuando se combinan núcleos ligeros. Como consecuencia, se libera una gran cantidad de energía.

Las reacciones de fusión se han producido en el laboratorio mediante el bombardeo de dianas de materiales ligeros apropiados con, por ejemplo, deuterones de alta energía de un acelerador de partículas. En estas reacciones resultan núcleos que son más pesados que los núcleos de los «proyectiles» o de la diana; generalmente también se liberan partículas adicionales, así como energía. Algunos ejemplos típicos de estas reacciones de fusión, junto con la energía liberada en cada reacción, son los siguientes:

En la primera de las ecuaciones anteriores, el núcleo producto más pesado es un isótopo de hidrógeno, llamado tritio, con número de masa A=3. Se ha encontrado en pequeñas trazas en la naturaleza, es radiactivo, con un periodo de semidesintegración de aproximadamente 12 años, y se desintegra por emisión beta en helio-3, un isótopo de helio. Cuando se bombardea una diana de tritio con deuterones, se puede formar helio-4, como en la tercera ecuación anterior, liberando 17,6 MeV de energía. De esta energía, 14,1 MeV aparecen como energía cinética del neutrón y 3,5 MeV como energía cinética del núcleo producto.

Si bien la energía liberada en una sola fusión es menor que en una sola fisión, la energía liberada por unidad de masa es mucho mayor. Un simple cálculo lo ilustra: la masa de unos 50 átomos de helio es aproximadamente igual a la masa de un átomo de uranio; usando la tercera ecuación tenemos 50 x 17,6 MeV = 1040 MeV, en comparación con los 200 MeV de un fisión típica. De aquí que la fusión de tritio y deuterio ofrece la posibilidad de proporcionar grandes fuentes de energía, por ejemplo, en centrales eléctricas.

El deuterio se encuentra en el agua con una abundancia de aproximadamente una parte en siete mil átomos de hidrógeno y puede separarse del isótopo más ligero. Cuatro litros de agua contienen aproximadamente 0,13 g de deuterio. Si esta pequeña cantidad de deuterio pudiera reaccionar en condiciones apropiadas con tritio la producción de energía sería equivalente a la de aproximadamente 1.140 litros de gasolina. Se estima que la cantidad total de deuterio en los océanos es de aproximadamente 10¹⁷ kg, y su contenido energético sería de aproximadamente 10²⁰ kW-año. Si el deuterio y el tritio pudieran usarse para producir energía, proporcionarían una enorme fuente de energía.

Por supuesto, existen algunos problemas no precisamente triviales que deben resolverse antes de que las reacciones de fusión puedan ser útiles como fuentes estables de energía. Los núcleos que reaccionan en los procesos de fusión están cargados positivamente y se repelen entre sí debido a la fuerza eléctrica repulsiva. Por lo tanto, es necesario hacer que los núcleos choquen con una velocidad relativa alta para vencer la fuerza repulsiva que tiende a mantenerlos separados. La interacción nuclear que mantiene unidos a los neutrones y protones en el núcleo es mucho más fuerte que la eléctrica, y a menudo se la llama fuerza nuclear fuerte, pero tiene un alcance muy corto. Su efecto se extiende solo unos 10^-14 m, aproximadamente el tamaño de un núcleo. Por lo tanto, los núcleos que se pretende fusionar deben poder situarse a una distancia de ese orden de magnitud para que la fuerza nuclear atractiva supere a la repulsión eléctrica.

Los núcleos también deben estar confinados en una región del espacio donde puedan sufrir muchas colisiones sin que puedan escapar o ser absorbidos por las paredes que limitan la región, o perder energía por colisiones con demasiadas moléculas “más frías” (menos energéticas). Debe haber suficientes colisiones por unidad de tiempo para que la fusión pueda ocurrir a una velocidad que produzca más energía de la necesaria para provocar las colisiones. La combinación de estos requisitos significa que los núcleos deben estar contenidos a una temperatura del orden de 100 millones de grados.

A la temperatura requerida para la fusión, los átomos han perdido sus electrones, este estado de la materia en el que núcleos y los electrones están separados se llama plasma. Un plasma es un gas ionizado en el que las partículas cargadas positiva y negativamente se mueven libremente. Ninguna pared hecha de ningún material conocido puede contener un plasma caliente a 10⁸K (¡la pared se vaporizaría instantáneamente! [1]). Pero la teoría nos dice que las partículas cargadas, y eso es lo que es un plasma, pueden contenerses en un campo magnético diseñado apropiadamente. El primer problema a resolver, por tanto, es contener el plasma de núcleos de deuterio y tritio en un campo magnético, mientras se aceleran los núcleos mediante un campo eléctrico hasta la energía cinética (o temperatura) requerida. El comportamiento de las partículas cargadas en un plasma es, digamos, complicado; hay muchos tipos de inestabilidades que hacen que el plasma sea difícil de contener adecuadamente y durante el tiempo suficiente.

Con todo hay proyectos de fusión muy avanzados. En diciembre de 2020 se iniciaron las pruebas con deuterio y tritio en el Joint European Torus, que es una réplica 1:10 de lo que será el primer reactor de fusión del mundo, el ITER.

Nota:

[1] Para los seguidores de Star Trek: eso es ficción. Por ejemplo, los reactores de fusión de Deep Space 9 usan deuterio como partículas de bombardeo, sí, pero las paredes están hechas de carbono, como que no. No parece ingenierilmente muy trabajado.

Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance