Fisica General Burbano

REACCIONES DE FUSIÓN Y DE FISIÓN 751
lo que no se encuentra de forma natural; sin embargo, se puede obtener por bombardeo del Li-7
(92,58% en el litio natural) con neutrones rápidos, o del Li-6 (7,42%) con neutrones lentos, según
las reacciones:
1 7
3 2 1
0n+ 3Li → 1 H+ 4He+
0n
1 6
3 2
n+ Li → H+ He
0
3
1
4
MUESTRA PARA EXAMEN. PROHIBIDA SU REPRODUCCIÓN. COPYRIGHT EDITORIAL TÉBAR
en la primera de ellas el neutrón liberado es lento y puede provocar la segunda reacción.
Además de la mayor energía que se desprende por gramo de combustible en la fusión respecto
de la fisión, la primera tiene otras grandes ventajas, como son, la imposibilidad de que un reactor
de fusión explote y la ausencia de residuos radiactivos. Para lograr la fusión hay que alcanzar
unos niveles críticos de temperatura y densidad, y si uno de estos parámetros falla, la reacción se
extingue. En cuanto a residuos, el helio producido es inerte, mientras que el uranio no quemado o
el plutonio producido es un reactor de fisión permanecen radiactivos durante miles de años y requieren
cuidadosas medidas de almacenamiento y control. El mayor peligro que puede presentar
un reactor de fusión es que los neutrones liberados en la reacción puedan producir materiales radiactivos
pesados si inciden en la estructura del reactor, sin embargo, este efecto puede ser minimizado
con una selección adecuada de esos materiales.
A las elevadas temperaturas que requiere la fusión la agitación térmica es suficiente para que
los átomos se ionicen por choques y todo el material está formado por núcleos y electrones libres,
es decir, en ESTADO DE PLASMA. Si la temperatura del plasma es suficiente se produce la reacción de
fusión, pero para que se mantenga es preciso que la energía ganada supere a las pérdidas. Estas se
originan por varias causas, como son el calentamiento de nuevos núcleos para su fusión, la fuga
de núcleos y de neutrones hacia el exterior del plasma o la radiación de frenado de electrones libres.
La temperatura que hay que sobrepasar para que la generación de energía supere a las pérdidas
se denomina temperatura crítica de ignición, y su valor aproximado es de 4 × 10 8 K en la reacción
deuterio-deuterio y de 4,5 × 10 7 K en la reacción deuterio-tritio.
Además de la temperatura, hay otros dos factores que influyen en el balance de energía producida
y perdida, son la densidad de iones, n, y el tiempo de confinamiento, t, que es el tiempo
que se mantienen los núcleos en la zona de reacción a una temperatura igual o mayor que la de ignición.
El tiempo de confinamiento es inversamente proporcional a la densidad del plasma, por lo
tanto, el producto n t debe ser mayor que un valor mínimo, fijado por el criterio de Lawson:
n t = 10 16 s/cm 3 para la reacción deuterio-deuterio.
n t = 10 14 s/cm 3 para la reacción deuterio-tritio.
Para satisfacer el criterio de Lawson es necesario mantener junto al plasma durante un tiempo
suficiente, pero, a las temperaturas que se requieren, esto no puede conseguirse con medios mecánicos.
Por esta razón, para producir la reacción se usan dos procedimientos, el primero es calentar
un sólido (n • 10 22 cm – 3 ) que contenga el material fusionable, como en la bomba de hidrógeno, y
el segundo es el CONFINAMIENTO DEL PLASMA (n • 10 14 cm – 3 ) mediante campos magnéticos.
Comentamos en primer lugar un tipo de confinamiento no magnético que es en realidad una
pequeña bomba de hidrógeno. Se trata del confinamiento inercial que se consigue lanzando simultáneamente
varios pulsos de láser sobre una esfera de deuterio-tritio de aproximadamente 1
mm de diámetro (Fig. XXX-38). La energía del láser evapora la superficie de la esfera, las partículas
que escapan producen una reacción de compresión sobre las restantes, que se concentran aumentando
con ello la temperatura hasta el valor de ignición, momento en el cual se produce la fusión
y la esfera explota.
El confinamiento magnético se basa en que, al estar el plasma constituido por partículas cargadas,
éstas se mueven en trayectorias helicoidales alrededor de las líneas de campo; si se intensifica
el campo magnético, las líneas de campo se juntan y el plasma se comprime. En este comportamiento
se basa la botella magnética comentada en la cuestión XXI-9. Más empleado es el tokamak
(Fig. XXX-39), un dispositivo de forma toroidal en el que el confinamiento se produce por una
combinación de dos campos, uno en la dirección del eje del toriode, producido por bobinas exteriores,
y otro, que rodea el plasma, producido por una corriente eléctrica de intensidad muy elevada
que se establece a lo largo del propio plasma, el cuál tiene una gran conductividad eléctrica y
es calentado óhmicamente por dicha corriente.
Se han conseguido avances definitivos en el control de la fusión nuclear en el reactor experimental
europeo instalado en Oxfordshire, en Gran Bretaña. En el JET (Joint European Torus), el 9
de noviembre de 1991 se mantuvo una reacción de fusión, en una mezcla con el 15% de tritio, durante
unos dos segundos, desarrollándose una potencia de 1,9 MW. Para calentar la mezcla de gases
deuterio y trio se hizo pasar a su través una corriente de siete millones de amperios y se inyectaron
haces de partículas energéticas hasta alcanzar los 2 × 10 8 K.
Dado el éxito de las pruebas realizadas, los científicos que colaboran en el JET esperan que el
programa se prolongue con la investigación de la contaminación y purificación del plasma y con
nuevas pruebas en las que se emplee la mezcla idónea con un 50% de tritio.
Fig. XXX-38.– Desarrollo del confinamiento
inercial producido por pulsos
de láser de gran intensidad.
Fig. XXX-39.– Confinamiento magnético
del plasma en un tokamak.