FUSIÓN NUCLEAR POR MEDIO DEL LÁSER

1. FUSIÓN NUCLEAR POR MEDIO DEL LÁSER Juan José Suárez Menéndez IES “Pando” de Oviedo

2. Fusión nuclear por medio del láser.

3. Reacciones de fisión y fusión • Rompiendo y pegando átomos • Una reacción nuclear de fisión característica, como la que ocurre en muchos reactores nucleares, es:

4. Reacciones de fisión y fusión • Como consecuencia de la colisión con un neutrón, un átomo de uranio 235 reacciona descomponiéndose en un átomo de bario, y en un átomo de kriptón más tres neutrones libres.

5. Reacciones de fisión y fusión • A su vez, los neutrones resultantes pueden ocasionar más reacciones similares para mantener lo que se llama una "reacción en cadena".

6. Reacciones de fisión y fusión • Nuevamente podemos apreciar que se satisface la ley de conservación de bariones, pues el número total de protones y de neutrones que intervienen en la reacción es el mismo en ambos lados de la reacción mostrada; hay un total de 236 bariones participantes.

7. Reacciones de fisión y fusión • Por otra parte, ejemplos característicos de reacciones de fusión son los siguientes:

8. Reacciones de fisión y fusión • Para que ocurra una reacción de fisión como la mostrada, se requiere de la presencia de un neutrón que inicie la reacción. • Sin embargo, ¿qué condiciones deben darse para que ocurra una reacción de fusión?

9. Reacciones de fisión y fusión • Para producir una reacción de fusión debemos primero acercar a los núcleos reactantes lo suficiente para que actúen entre ellos las fuerzas nucleares (que sabemos son de muy corto alcance) y pueda de este modo ocurrir la reacción de fusión.

10. Reacciones de fisión y fusión • Acercar los núcleos es difícil debido a que existe una fuerte repulsión electrostática entre éstos. • Este fenómeno se puede ver claramente en la figura.

12. Reacciones de fisión y fusión • A gran distancia prácticamente no hay fuerza entre éstos, sin embargo al acercarlos empieza a crecer la fuerza electrostática de repulsión, hasta que llegamos a una distancia R a partir de la cual empiezan a actuar las fuerzas nucleares que son fuertemente atractivas.

13. Reacciones de fisión y fusión • Para que tengan lugar reacciones de fusión hay que proporcionar a las partículas reactantes suficiente energía para que puedan sobrepasar la repulsión electrostática y acercarse lo suficiente como para llegar a la región donde actúan las fuerzas nucleares.

14. Reacciones de fisión y fusión • Proporcionar esta energía es un grave problema pues requiere aumentar la temperatura de las partículas reactantes a 50 ó 100 millones de grados.

15. Reacciones de fisión y fusión • Por ejemplo, para lograr que una bomba H de fusión explote es necesario primero "calentar" el combustible nuclear de fusión a los 50 ó 100 millones de grados requeridos, lo cual sólo puede hacerse detonando primero una bombaA de fisión. • Es decir, ¡el detonador de la bomba H es una bomba A!

16. Reacciones de fisión y fusión • Para lograr que las reacciones de fusión ocurran de modo eficiente también es necesario alcanzar una concentración mínima de partículas durante un tiempo suficientemente largo.

17. Reacciones de fisión y fusión • Esta condición se conoce como criterio de Lawson, el cual establece que el producto de la densidad (partículas por unidad de volumen) y del tiempo de confinamiento (medido en segundos) debe exceder un valor de 1014 (partículas/segundo cm³) para reacciones de deuterio-tritio, y de 1016 (partículas/segundo∙cm³) para reacciones de deuterio-deuterio.

18. Reacciones de fisión y fusión • El hecho de que sea más difícil lograr reacciones de fusión en mezclas de deuterio-deuterio lo podemos ver en la figura siguiente, donde en el eje vertical se muestra la probabilidad de colisión por unidad de tiempo entre los núcleos, y en el eje horizontal la temperatura a la que se encuentran.

20. Reacciones de fisión y fusión • Para una misma temperatura se obtienen más reacciones entre núcleos de deuterio-tritio que entre deuterio-deuterio. • Debido a esto todos los intentos actuales de fusión están basados en la reacción entre deuterio y tritio.

21. EL PLASMA TERMONUCLEAR El caldo de la fusión • Cualquiera sustancia que se calienta a una temperatura de 50 ó 100 millones de grados se convierte en lo que llamamos plasma.

22. EL PLASMA TERMONUCLEAR El caldo de la fusión • Es decir, se vuelve una sustancia compuesta esencialmente por núcleos y electrones libres. • El plasma se conoce también como el cuarto estado de la materia, donde el primero, segundo y tercero estados son, respectivamente: el estado sólido, el líquido y el gaseoso.

23. EL PLASMA TERMONUCLEAR El caldo de la fusión • Para comprender qué es una plasma imaginemos una barra de plomo. Inicialmente la barra se encuentra en estado sólido, lo cual significa que sus átomos constituyentes están atados a posiciones fijas alrededor de las cuales sólo pueden vibrar ligeramente.

24. EL PLASMA TERMONUCLEAR El caldo de la fusión • Si la calentamos proporcionamos energía a los átomos de la barra y la magnitud de las vibraciones aumentará hasta llegar a una transición de fase en la cual la barra de plomo se funde, quedando líquida.

25. EL PLASMA TERMONUCLEAR El caldo de la fusión • Si en este estado líquido continuamos proporcionando energía (calentando aún más), los átomos de plomo finalmente adquirirán tanta energía que dejarán de formar un plomo líquido para constituir un gas de átomos de plomo.

26. EL PLASMA TERMONUCLEAR El caldo de la fusión • Finalmente, si en el estado gaseoso continuamos proporcionando energía a los átomos del gas, los electrones de éstos saldrán de sus órbitas atómicas y terminaremos con un gas formado por núcleos y electrones libres; esto es lo que llamamos plasma. • Todo ello se muestra esquemáticamente en la figura.

28. EL PLASMA TERMONUCLEAR El caldo de la fusión • Podemos resumir la idea diciendo que, para obtener reacciones nucleares de fusión requerimos de la presencia de un plasma a una temperatura de 50 a 100 millones de grados, donde se satisfaga el criterio de Lawson.

29. EL PROBLEMA DEL CONFINAMIENTOEl problema de la cazuela • El problema es: ¿dónde vamos a poder guardar un plasma que se encuentra a 50 ó 100 millones de grados? • Ningún recipiente podría contener una sustancia a esa temperatura; por tanto, es necesario buscar opciones adecuadas. • Principalmente se han estudiado dos soluciones a este problema que son: el confinamiento magnético y el confinamiento inercial.

30. EL PROBLEMA DEL CONFINAMIENTOEl problema de la cazuela • El confinamiento magnético consiste en confinar el plasma en el espacio interior de un toroide (figura similar a una rosquilla) por medio de campos magnéticos. • Esto se hace en instrumentos conocidos como Tokamaks.

31. EL PROBLEMA DEL CONFINAMIENTOEl problema de la cazuela • De este modo los campos magnéticos forman una "cobija" que separa el plasma de alta temperatura de las paredes metálicas del toroide. • La figura muestra el esquema básico de un Tokamak.

33. EL PROBLEMA DEL CONFINAMIENTOEl problema de la cazuela • Estos dispositivos pueden contener plasma de muy baja densidad a las temperaturas requeridas durante largos tiempos (alrededor de un segundo).

34. EL PROBLEMA DEL CONFINAMIENTOEl problema de la cazuela • El confinamiento inercial consiste en producir el plasma termonuclear utilizando láseres o haces de partículas que son enfocados en esferas microscópicas (de aproximadamente un milímetro de diámetro) que contienen el combustible fusionable. • Esto se muestra esquemáticamente en la figura.

36. EL PROBLEMA DEL CONFINAMIENTOEl problema de la cazuela • Así, se pueden producir y contener plasmas de muy alta densidad a las temperaturas requeridas durante cortos tiempos (de alrededor de cien millonésimas de segundo).

37. EL PROBLEMA DEL CONFINAMIENTOEl problema de la cazuela • El nombre de confinamiento inercialaplicado a este método es debido a que la fuerza producida por el haz láser es simétrica (en todas direcciones alrededor de la esfera) éste no ejerce fuerza neta resultante en la microesfera.

38. EL PROBLEMA DEL CONFINAMIENTOEl problema de la cazuela • Por otra parte, el peso de la esfera es tan pequeño que durante el breve lapso en que es irradiada por el láser, ésta prácticamente no tiene tiempo de caer, y para cualquier fin práctico podemos considerarla inmóvil.

39. EL PROBLEMA DEL CONFINAMIENTOEl problema de la cazuela • Durante las millonésimas de segundo en que el proceso de irradiación láser ocurre, la microesfera, por su propia inercia, permanece inmóvil y es así como en ese breve instante el plasma es confinado. • En este tema nos centramos en la descripción del confinamiento inercial haciendo uso de láseres.

40. LÁSERES PARA LA FUSIÓNLa llave de la fusión • Para realizar investigación sobre fusión vía láser se han construido varios láseres en el mundo. • El cuadro muestra algunos de los más importantes así como sus parámetros técnicos.

42. LÁSERES PARA LA FUSIÓNLa llave de la fusión • Dentro de las características más importantes en la elección de un láser para este tipo de aplicaciones destacan la duración de los pulsos láser producidos, su energía, la longitud de onda de operación (el color de la luz emitida) y el número de haces láser disponibles para ser simétricamente focalizados en el blanco (que son las microesferas con mezcla de deuterio y tritio).

43. LÁSERES PARA LA FUSIÓNLa llave de la fusión • Cada una de estas características es importante para mejorar diferentes aspectos del proceso de fusión. • La longitud de onda l del láser es una de las más importantes. • Para lograr el proceso de fusión, cuanto más corta sea l mejor.

44. LÁSERES PARA LA FUSIÓNLa llave de la fusión • La siguiente lista muestra algunos láseres pulsados de alta energía y potencia así como sus longitudes de onda característicos de operación:

46. LÁSERES PARA LA FUSIÓNLa llave de la fusión • Por razones técnicas y económicas casi todos los sistemas láser construidos en el mundo para aplicación en fusión por láser son de neodimio. • Los sistemas láser de dióxido de carbono (CO2), a pesar de su alta eficiencia (superior al 15%), prácticamente no se utilizan debido a su larga longitud de onda de emisión.

47. LÁSERES PARA LA FUSIÓNLa llave de la fusión • Los láseres de rubí tampoco se usan debido a que resultan demasiado caros, pues el rubí es un cristal muy costoso de producir. • Los únicos competidores actuales de los láseres de neodimio son los de CF3I y los de KrF; sin embargo, los problemas técnicos de construcción y operación de estos láseres (que, por ejemplo, requieren del manejo de sustancias altamente corrosivas) son mayores que los del neodimio.

48. LÁSERES PARA LA FUSIÓNLa llave de la fusión • La figura siguiente muestra el diagrama simplificado del láser Vulcan del laboratorio Rutherford Appleton en Didcot, Inglaterra.

50. LÁSERES PARA LA FUSIÓNLa llave de la fusión • Éste es el más importante sistema láser de Europa para investigación en fusión. • La mesa del oscilador contiene un láser cuya función es proporcionar pulsos con perfiles temporal y espacial determinados.