Fusión nuclear: la ciencia detrás de convertir el agua en electricidad

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Actualizado el Wed Mar 03 2021

¿Alguna vez te has preguntado por qué brilla el sol? ¿Podríamos usar el mismo mecanismo para producir energía aquí en la Tierra? ¡La respuesta a estas dos preguntas es la fusión nuclear!

Earthly admirando el Sol

¿Qué es la fusión nuclear?

En capítulos anteriores, discutimos la fisión nuclear: dividir un átomo grande en otros más pequeños y liberar energía. La fusión nuclear es lo contrario. Es tomar dos átomos más pequeños y unirlos en uno.

¿Por qué sería la fusión una gran fuente de energía?

¿Cuáles de estos crees que son beneficios de la fusión nuclear? Escoge 4:


Si la división de átomos libera energía, ¿cómo puede la unión de átomos liberar también energía?

La división de átomos (fisión) usa elementos pesados (elementos que tienen muchos protones y neutrones) mientras que la unión de átomos (fusión) usa elementos muy ligeros. ¿Por qué? Porque, para elementos más ligeros que el hierro (26 protones), la fusión libera energía y la fisión consume energía. Para elementos más pesados que el hierro funciona al revés.

Potencial de fusión/fisión

De esta manera, en el caso de átomos grandes como el uranio, obtenemos energía de una división, pero la unión de estos átomos requiere mucha energía. Por el contrario, unir elementos más ligeros soprendentemente nos da energía.

A partir del gráfico anterior, ¿puedes adivinar qué elemento usaremos como entrada?


¿Cómo ocurre la fusión?

Podríamos intentar fusionar dos elementos cualesquiera, pero hablaremos sobre la reacción de fusión específica que se usaría para generar electricidad.

Nos referiremos a los elementos por la cantidad de protones y neutrones que tienen: "1p2n" es un núcleo con 1 protón y 2 neutrones. Podemos olvidarnos de los electrones por ahora; verás el porqué más adelante.

¿Qué resulta de unir 1p1n y 1p2n?


1p1n + 1p2n = 2p3n. PERO: 2p3n es un isótopo inestable, lo que significa que naturalmente se rompe rápidamente y pasa de 2p3n a 2p2n más un neutrón y energía adicional.

Fusión

¿Cuáles son estos elementos? 1p0n es hidrógeno "H". 1p1n y 1p2n, que se usan para la fusión, son los isótopos del hidrógeno llamados deuterio y tritio (tienen el mismo número de protones, pero diferente número de neutrones)[IsótoposH]:

Isótopos de hidrógeno

¿Qué pasa con el resultado de esta reacción? Sería malo si 2p2n fuese algo peligroso, como por ejemplo los desechos nucleares.

¿Qué elemento es 2p2n?


Afortunadamente, el helio no es peligroso (es lo que se usa para llenar globos). Ahora que conocemos los elementos involucrados, veamos la reacción de nuevo:

Reacción de fusión completa de deuterio-tritio

¿Por qué esto libera energía?

Tan extraño como suena, el helio más un neutron tiene menos masa que el Deuterium más Tritium. ¡Sí, realmente! Al recombinar el mismo número de protones y neutrones en una configuración diferente, todo el núcleo pierde masa.

La masa perdida se convierte en energía, que se libera en forma de calor y radiación electromagnética. La famosa ecuación E = mc2 de Einstein está en marcha aquí: we are converting mass into energy.

Entonces, ¿por qué no usamos la fusión para obtener energía?

En el Sol, la fusión ocurre debido a la intensa presión en el núcleo del Sol causada por la gravedad. ¡Alcanza una temperatura de hasta 15 000 000 °C!

La buena noticia es que podemos crear fusión en la Tierra. La mala noticia es que es realmente difícil.

Hasta la fecha, todos los reactores de fusión utilizan más energía de la que producen. Esto es, por supuesto, un problema. Una central eléctrica que requiere más energía de la que produce es inútil.

La relación entre la energía de entrada y la de salida se denomina a menudo "Q". La fusión nuclear tiene una larga historia, pero, hasta ahora, no hemos logrado conseguir que Q sea igual a 1:

Rendimiento de los reactores de fusión

Como puedes ver en este gráfico, nos acercamos mucho a Q = 1, pero luego dejaron de producirse mejoras. ¿Por qué? En el próximo capítulo, analizaremos lo que significa el gráfico anterior, descubriremos qué impidió un mayor progreso (hasta ahora) y discutiremos el trabajo reciente que tiene como objetivo llegar a Q = 10 y más.

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