Fisión & fusión nuclear

Fisión nuclear

Cuando un neutrón lento golpea un núcleo de uranio-235, este puede fragmentarse en dos trozos de masa intermedia — acompañado de dos a tres neutrones recién liberados y una enorme cantidad de energía. Como el ²³⁵U se sitúa más allá del máximo de energía de enlace del hierro, los fragmentos resultantes quedan más fuertemente ligados que el núcleo original — la diferencia se libera como energía.

Como cada fisión genera varios neutrones nuevos que a su vez pueden fisionar otros núcleos, puede surgir una reacción en cadena autosostenida — controlada en un reactor nuclear, incontrolada en un arma nuclear. Para que la reacción no se interrumpa debe haber una cantidad mínima determinada de material fisible: la masa crítica.

Fusión nuclear

En el otro extremo de la curva de energía de enlace se encuentra la fusión: cuando dos núcleos ligeros como el deuterio (²H) y el tritio (³H) se fusionan en helio, el núcleo resultante queda más fuertemente ligado que ambos núcleos de partida juntos — de nuevo la diferencia se libera como energía, e incluso claramente más por nucleón que en la fisión.

El problema: ambos núcleos tienen carga positiva y se repelen electrostáticamente. Solo a temperaturas de varias decenas de millones de grados — como en el interior del Sol o en un reactor de fusión — los núcleos se mueven lo bastante rápido como para que algunos superen la barrera de Coulomb (con algo de ayuda del efecto túnel cuántico). Dominar este problema es la razón por la que la fusión nuclear controlada sigue sin ser comercialmente viable en la Tierra hasta hoy.

E = mc² en comparación

Tanto la fisión como la fusión liberan un defecto de masa minúsculo en forma de energía — pero en un orden de magnitud que deja en la sombra a cualquier reacción química: un kilogramo de uranio-235, al fisionarse por completo, aporta aproximadamente tanta energía como dos a tres millones de kilogramos de carbón al arder.

Central nuclear versus reactor de fusión

A más de 100 millones de grados ya no existe ningún combustible sólido ni líquido, sino solo plasma — un gas de núcleos atómicos y electrones libres y cargados eléctricamente. Ningún material conocido podría formar una pared de recipiente que soportara esa temperatura por contacto directo; cualquier contacto directo enfriaría el plasma al instante y vaporizaría la pared. La solución aprovecha precisamente la carga eléctrica del plasma: las partículas cargadas pueden moverse casi libremente a lo largo de líneas de campo magnético, pero solo con enorme dificultad transversalmente a ellas — la fuerza de Lorentz las obliga a describir trayectorias espirales estrechas alrededor de las líneas de campo. Si estas líneas de campo se curvan de modo que formen anillos cerrados sobre sí mismos, por ejemplo con forma de toro (una forma de rosquilla), el plasma puede circular por esas trayectorias sin tocar jamás una pared — una "botella magnética" invisible. Para ello se necesitan enormes bobinas magnéticas, casi siempre superconductoras, dispuestas alrededor de la cámara de vacío, que generan intensidades de campo de varios teslas — entre diez mil y cien mil veces el campo magnético terrestre.

Técnicamente se han impuesto dos diseños distintos para este confinamiento magnético: en el tokamak — del ruso para "cámara toroidal con bobinas magnéticas" — las bobinas dispuestas en forma de anillo generan, junto con una corriente eléctrica inducida en el propio plasma, el campo magnético necesario; la forma constructiva es comparativamente simple y simétrica, pero exige una corriente de plasma que solo puede mantenerse de forma pulsada. El reactor internacional de investigación ITER, en el sur de Francia, actualmente el mayor reactor experimental de fusión del mundo, sigue este principio.

El stellarator, en cambio, prescinde de una corriente de plasma inducida y genera el campo magnético retorcido necesario únicamente mediante bobinas de forma compleja, devanadas en tres dimensiones — técnicamente mucho más exigente en su construcción y cálculo, pero en principio apto para el funcionamiento continuo. El Instituto Max Planck alemán opera en Greifswald, con Wendelstein 7-X, el mayor stellarator del mundo.

Vista superior de un tokamak: el plasma circula en el toro, retenido por bobinas magnéticas; las partículas cargadas apenas pueden abandonar las líneas de campo y, en cambio, giran en espiral a su alrededor.

La fusión por confinamiento inercial sigue un camino completamente distinto: en lugar de campos magnéticos, láseres extremadamente potentes, como en la National Ignition Facility (NIF) en Estados Unidos, concentran su energía en pocos nanosegundos sobre una diminuta esfera de combustible, comprimiéndola y calentándola de golpe por todos los lados, de modo que la fusión se enciende antes de que el material pueda volver a dispersarse — con ello, el NIF logró en 2022, por primera vez, una ganancia neta de energía a partir de la propia reacción de fusión, frente a la energía láser entregada al blanco. Junto a esto, cada vez más empresas financiadas con capital privado, como Commonwealth Fusion Systems (tokamaks compactos de alto campo con superconductores de alta temperatura) o Helion Energy (fusión inercial magnetizada y pulsada), persiguen sus propios enfoques técnicos, en parte híbridos, con el objetivo de hacer realidad centrales de fusión comerciales más rápido que la investigación financiada por los estados.