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Fusión nuclear

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Luis Santamarta

on 19 May 2013

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Transcript of Fusión nuclear

photo credit Nasa / Goddard Space Flight Center / Reto Stöckli Energía nuclear de fusión Introducción Fusión nuclear es el proceso por el cual varios núcleos atómicos de carga similar se unen y forman un núcleo más pesado.
Simultáneamente se libera o absorbe una cantidad enorme de energía. Reacciones de fusión en la naturaleza En la naturaleza ocurre fusión nuclear en las estrellas, incluido el sol. En su interior las temperaturas son cercanas a 15 millones de grados Celsius. Por ello a las reacciones de fusión se les denomina termonucleares. Requisitos Para que pueda ocurrir la fusión debe superarse una importante barrera de energía producida por la fuerza electrostática. A grandes distancias, dos núcleos se repelen debido a la fuerza de repulsión electrostática entre sus protones, cargados positivamente. Sin embargo, si se puede acercar dos núcleos lo suficiente, debido a la interacción nuclear fuerte, que en distancias cortas es mayor, se puede superar la repulsión electrostática. Medios de obtener la fusión Confinamiento inercial Ventajas y desventajas -No produce desechos radiactivos directos.
-Precisa de un combustible que se encuentra abundantemente en la naturaleza.
-Produce gran cantidad de energía.
-No produce reacción en cadena.
-Si surge algún problema en el reactor, la reacción se detiene espontáneamente. La fusión de dos núcleos de menor masa que el hierro (en este elemento y en el níquel ocurre la mayor energía de enlace nuclear por nucleón) libera energía en general. Por el contrario, la fusión de núcleos más pesados que el hierro absorbe energía. En el proceso inverso, la fisión nuclear, estos fenómenos suceden en sentidos opuestos. Fusión de deuterio con tritio, por la cual se produce helio 4, se libera un neutrón y se generan 17,59 MeV de energía. Para que esta reacción se produzca, dos protones deben acercarse lo suficiente para que la interacción nuclear fuerte pueda superar su repulsión eléctrica mutua y obtener la posterior liberación de energía. Cuando un nucleón se añade a un núcleo, la fuerza nuclear atrae a otros nucleones. Los nucleones del interior de un núcleo tienen más vecinos nucleones que los existentes en la superficie. Ya que la relación entre área de superficie y volumen de los núcleos menores es mayor, por lo general la energía de enlace por nucleón debido a la fuerza nuclear aumenta según el tamaño del núcleo, pero se aproxima a un valor límite correspondiente al de un núcleo cuyo diámetro equivalga al de casi cuatro nucleones. Por otra parte, la fuerza electrostática es inversa al cuadrado de la distancia. Así, a un protón añadido a un núcleo le afectará una repulsión electrostática de todos los otros protones. Por tanto, debido a la fuerza electrostática, cuando los núcleos se hacen más grandes, la energía electrostática por nucleón aumenta sin límite.
El resultado neto de estas fuerzas opuestas es que generalmente la energía de enlace por nucleón aumenta según el tamaño del núcleo, hasta llegar a los elementos hierro y níquel, y un posterior descenso en los núcleos más pesados.

A causa de que el núcleo del He está integrado por dos protones y dos neutrones, su energía de enlace es anormalmente grande. En distancias cortas la interacción nuclear fuerte (atracción) es mayor que la fuerza electrostática (repulsión). Así, la mayor dificultad técnica para la fusión es conseguir que los núcleos se acerquen lo suficiente para que ocurra este fenómeno. Consiste en conseguir las condiciones necesarias para que se produzca la fusión nuclear dotando a las partículas del combustible de la cantidad de movimiento necesaria para que con el choque de las mismas se venza la barrera culombiana y así se pueda producir la reacción nuclear de fusión.
Esta barrera se opone a que los núcleos se acerquen y es necesario superarla para que los núcleos estén lo suficientemente cercanos para sentir la interacción nuclear. Confinamiento utilizando láser El método más empleado para el confinamiento inercial emplea láser sobre un blanco. La fusión nuclear por confinamiento inercial con láser se consigue mediante el uso de varios haces de rayos láser, de rayos X, o bien de iones pesados acelerados, enfocados en un pequeño blanco esférico (10 miligramos) donde se encuentra el combustible de deuterio-tritio. También se utiliza el enfoque indirecto, en el que los haces se enfocan hacia un metal muy denso que a su vez produce intensos rayos X que inciden sobre el blanco de combustible. Este último proceso es más efectivo. Uno de los procesos de calentamiento de la materia es el de la compresión. En este caso lo que se pretende es que mediante un aumento de la presión aumente la densidad y la temperatura. Refiriéndonos en este caso al significado más amplio del concepto de partícula o corpúsculo, como del concepto de presión.
Esto quiere decir, que se debe considerar los fotones (en la frecuencia de la luz visible, o de los rayos X) como partículas, con lo cual llevarán asociado un momento, que a su vez conlleva una fuerza que dará lugar a una presión. Y lo mismo sucede con los iones pesados. Esa presión se transmitirá por las sucesivas capas del blanco en un tiempo de unos cientos de picosegundos. Depositando sobre el blanco, en ese corto periodo de tiempo, una energía de ~5-10 MJ obtendremos las condiciones necesarias para lograr la fusión. El blanco alcanzará una densidad de 600 a 1000 veces la densidad inicial y la temperatura necesaria para comenzar la ignición. Ahora mismo se están depositando en los blancos energías de unos 1000 MJ.
Si además conseguimos que el proceso se produzca con una frecuencia de 5 a 10 Hz, tendremos una planta de una potencia de ~1000 MW. Confinamiento magnético Consiste en contener el material en estado de plasma dentro de un campo magnético. Dispone de enormes electroimanes que producen campos magnéticos del orden de 50000 gauss. Esto evita que el plasma entre en contacto con las paredes del recipiente. Simultáneamente, se hace pasar una corriente de varios millones de amperios a través del plasma para incrementar su temperatura. El reactor que se encarga de este proceso es el Tokamak (en español cámara toroidal con bobinas magnéticas). El primer Tokamak consistió en una cámara de vacío con forma toroidal que contenía hidrógeno y un dispositivo eléctrico que por fuertes descargas ionizaba el gas hasta llevarlo al estado plasmático. Un fuerte campo magnético helicoidal provocado con potentes electroimanes lograba el confinamiento del plasma. Ventajas Desventajas -Calentar el gas a temperaturas tan elevadas.
-Disponer de un recipiente que pueda soportar las altas temperaturas el tiempo suficiente para que se produzca la fusión y se libere la energía.
-Necesita una gran inversión.
Luis Santamarta Gómez 1º BAC. H
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