19.8: Fusión Nuclear
El proceso de convertir núcleos muy ligeros en núcleos más pesados también está acompañado por la conversión de masa en grandes cantidades de energía, un proceso llamado fusión. La principal fuente de energía en el sol es una reacción de fusión neta en la que cuatro núcleos de hidrógeno se funden y, en última instancia, producen un núcleo de helio y dos positrones.
Un núcleo de helio tiene una masa un 0,7% menor que la de cuatro núcleos de hidrógeno; esta masa perdida se convierte en energía durante la fusión. Esta reacción produce alrededor de 1,7 × 109 a 2,6 × 109 kilo joules de energía por mol de helio-4 producido, dependiendo de la vía de fusión. Esto es algo menos que la energía producida por la fisión nuclear de un mol de U-235 (1,8 × 1010 kJ). Sin embargo, la fusión de un gramo de helio-4 produce aproximadamente 6,5 × 108 kJ, que es mayor que la energía producida por la fisión de un gramo de U-235 (8,5 × 107 kJ). Esto es particularmente notable porque los reactivos para la fusión de helio son menos costosos y mucho más abundantes que el U-235.
Se ha determinado que los núcleos de los isótopos pesados del hidrógeno, un deuterón y un tritón, se someten a una fusión termonuclear a temperaturas extremadamente altas para formar un núcleo de helio y un neutrón. Este cambio procede con una pérdida de masa de 0,0188 uma, correspondiente a la liberación de 1,69 × 109 kilo joules por mol de helio-4 formado. La temperatura muy alta es necesaria para dar a los núcleos suficiente energía cinética para superar las fuerzas repulsivas muy fuertes resultantes de las cargas positivas en sus núcleos para que puedan colisionar.
Las reacciones útiles de fusión requieren temperaturas muy altas para su iniciación, alrededor de 15.000.000 K o más. A estas temperaturas, todas las moléculas se disocian en átomos, y los átomos ionizan, formando plasma. Estas condiciones ocurren en un número extremadamente grande de localizaciones a través del universo—las estrellas son alimentadas por fusión.
Es una tarea difícil crear reactores de fusión porque ningún material sólido es estable a temperaturas tan altas y los dispositivos mecánicos no pueden contener el plasma en el que se producen las reacciones de fusión. Dos técnicas para contener el plasma a la densidad y temperatura necesarias para una reacción de fusión son actualmente el foco de esfuerzos intensivos de investigación: La contención por un campo magnético en un reactor tokamak y el uso de haces láser enfocados. Sin embargo, en la actualidad no hay reactores de fusión autosostenibles en funcionamiento en el mundo, aunque las reacciones de fusión controladas a pequeña escala se han ejecutado durante períodos muy breves.
Este texto es adaptado de la Openstax, Química 2e, Sección 21.4: Transmutación y Energía Nuclear.
