La energía de los Núcleos de los Átomos

LA FISIÓN NUCLEAR

EN 1932, el físico inglés James Chadwick descubre el neutrón. Con ello se abren las puertas para seguir las investigaciones que conducirían a Enrico Fermi a construir en Chicago la primera pila o reactor nuclear. El neutrón es una partícula que no tiene carga eléctrica y su masa es casi igual a la del protón. Ambas partículas forman el núcleo de un átomo.

Chadwick trabajó para Ernest Rutherford, quien propuso el modelo del átomo, constituido por un núcleo central cargado positivamente y electrones girando a su alrededor. El modelo de Rutherford, junto con el tratamiento cuántico que le dio el físico danés Niels Bohr, conforman la descripción clásica del átomo. La descripción moderna incluye un núcleo, compuesto de protones, neutrones —que a su vez están compuestos por partículas más elementales llamadas quarks— y electrones representados como una nube con una cierta probabilidad de encontrarlos en un lugar determinado.

En el texto en que Chadwick anuncia su descubrimiento dice así: 

Para explicar el gran poder de penetración de la radiación debemos suponer que la partícula no tiene carga neta. Podemos también suponer que se trata de una combinación cerrada de protón y electrón, el neutrón discutido por Rutherford en su Conferencia Baqueriana en 1920. (Proc. Roy. Soc. of London, vol. A 136, 1932).

Pero, ¿cuál es la relación entre el neutrón y la energía nuclear? Primero, hay que conocer la estructura del núcleo atómico y, segundo, tomar en cuenta que los neutrones son los responsables de las reacciones en cadena. Al bombardear un átomo pesado con neutrones, el núcleo de éste se rompe o se fisiona, liberando en el proceso una enorme cantidad de energía. Al fisionarse puede emitir también neutrones, y si éstos son dos o tres, chocarán con otros átomos, produciéndose una reacción en cadena. Por esta razón, el descubrimiento del neutrón es decisivo en la energía nuclear y en particular para producir energía útil en un reactor nuclear.

En 1933, los esposos Frédéric Joliot e Irene Curie descubren que al bombear una delgada lámina de aluminio con partículas alfa (núcleos de helio) provenientes de una fuente de polonio, se produce una radiación muy intensa. Es así como nace la radiactividad artificial.

El físico italiano Enrico Fermi demuestra en 1934 que al hacer incidir un haz de neutrones en la parafina, éstos se desaceleran, debido a los choques elásticos con los átomos de parafina y, lo más importante, que los neutrones lentos son más efectivos para producir algunas reacciones nucleares. En 1935 la química Ida Noddack propone la primera explicación de la fisión nuclear.

Mientras esto ocurría, el equipo de Fermi bombardeaba con una fuente de neutrones el uranio y había encontrado un nuevo elemento de número atómico 93 que sufría "ulteriores desintegraciones cuya naturaleza aún no ha sido aclarada", según afirma Otto María Corbino, impulsor de Fermi.

Ida Noddack había escrito una carta a la Revista de Química Aplicada, en la que señalaba: "Cabe pensar que al bombardear núcleos pesados con neutrones, estos núcleos se descompondrán en varias partes menores, las cuales, si bien serán isótopos de elementos conocidos, no serán vecinos de los elementos sujetos a radiación." Pese a que Ida Noddack envió al equipo de Fermi un artículo con su propuesta, no le hicieron caso. Aunque señala Emilio Segré, colaborador de Fermi, "tampoco Noddack se molestó en realizar los simples experimentos que podían sustentar su hipótesis."

Mientras Fermi recibe en 1938 el Premio Nobel por la producción de elementos radiactivos artificiales a partir de neutrones, se entera de que se ha logrado romper el núcleo atómico con neutrones.

Otto Hahn y su discípulo Fritz Strassmann comunican su resultado: "Como químicos, debemos decir que el producto obtenido es bario, no radio, pero como químicos nucleares no podemos persuadirlos de este salto, en contradicción con todos los conocimientos previos de física nuclear. Tal vez, después de todo, nuestros resultados se volvieron engañosos por una serie de extraños accidentes".

Otto Hahn comunica el hallazgo a su ayudante Lise Meitner, física austriaca de ascendencia judía a quien el fascismo hace huir a Suecia, pero que seguía de cerca las investigaciones de Hahn y lo había asistido durante más de treinta años. Lise se reúne con su sobrino en Kungalv, quien está de vacaciones: se trata del físico Otto R. Frisch, quien trabajaba en la misma dirección. Lise le da a leer la carta de Hahn y ambos interpretan correctamente el experimento que Hahn y Strassman no se habían atrevido a considerar como fisión nuclear. Efectivamente, bombardeando uranio con neutrones se producen dos elementos que nada tienen que ver con éste: bario y kriptón. Frisch viaja a Copenhague para comunicarle a Niels Bohr su descubrimiento, pidiéndole que lo mantenga en secreto hasta que él y Frau Meitner publiquen los resultados. A Frisch se le ocurre la idea de designar al fenómeno con el nombre de fisión nuclear, tras preguntar a un biólogo por el nombre que se utilizaba para referirse a una célula que se parte en dos. Cinco años más tarde sale publicado el artículo en la revista Nature, y esta demora les da ventaja a Hahn y Strassman, quienes reciben el Nobel por el descubrimiento.

Poco después, Bohr y Wheeler (en aquella época su ayudante) exponen la teoría de que el isótopo de uranio-238 (el más abundante en la naturaleza) produce fisión sólo si se bombardea con neutrones rápidos (con energías mayores al megaelectrón- volt), mientras que el uranio-235 se puede fisionar con neutrones lentos. Más tarde, A. Nier y J. R. Dunning confirman experimentalmente la hipótesis de Bohr.

Fermi y Bohr eran las cabezas de las investigaciones nucleares de la época. En agosto de 1939, Leo Szilard, también pionero de la fisión, junto con varios compañeros húngaros, convencen a Albert Einstein para que firme una carta dirigida al entonces presidente de Estados Unidos Franklin Delano Roosevelt, advirtiéndole del peligro que entrañaba el descubrimiento de la fisión del átomo.

La famosa carta, aún en controversia, sin justificación, dado que Einstein no participó en la construcción de la bomba atómica, provocó que los EUA aceleraran las investigaciones de la fisión nuclear para impedir que los alemanes tomaran la delantera. Y efectivamente, no pudieron tomarla porque los físicos más importantes se encontraban exiliados en EUA. Sin embargo, el mal uso de la energía nuclear fue lo que aceleró las investigaciones y produjo los desastrosos resultados conocidos por todos: la bomba atómica arrojada en 1945 sobre las ciudades japonesas de Hiroshima y Nagasaki.

En 1940 E. M. McMillan, J.W. Kennedy y A.C. Wahl descubren el plutonio, elemento producido en los reactores nucleares y que se utiliza para hacer la bomba atómica, utilizando el ciclotrón de 1.5 metros de Berkeley. Un equipo impresionante de físicos trabajaba entonces para lograr producir una reacción en cadena controlada y, "de pasadita", el combustible necesario para la fabricación de la bomba.

Sólo cuatro años después del descubrimiento de la fisión, el 2 de diciembre de 1942, Fermi y sus colaboradores, después de algunos fracasos, logran construir en Stagg Field, Chicago, bajo la dirección de Arthur H. Compton, la primera pila de uranio, primer reactor nuclear, en el lugar donde se proyectaba instalar una cancha de squash para la Universidad de Chicago. Para entonces, en varios sitios de EUA se investigaba cómo lograr la fisión controlada, por ejemplo en las universidades de Berkeley y Columbia.

El momento en que la pila de uranio de Chicago alcanzó el nivel crítico, según narra Fermi, fue como sigue:

En la mañana del 2 de diciembre de 1942, las indicaciones demostraron que se habían excedido ligeramente las condiciones críticas, y que la reacción en cadena no se efectuaba dentro del sistema únicamente por la absorción de las tiras de cadmio. Durante la mañana, con cuidado se retiraron todas las tiras de cadmio menos una; esta última se extrajo poco a poco, y se vigiló de cerca la intensidad. A partir de las mediciones, se esperaba que el sistema se volviera crítico al remover un tramo de cerca de ocho pies de esta última tira. En efecto, cuando se removieron cerca de siete pies de altura, la intensidad se elevó a un valor muy alto, pero aun así, se estabilizó después de algunos minutos en un nivel finito. Con algo de ansiedad, se dio la orden de remover un pie y medio de la tira. Esta operación nos llevaría a la victoria. Cuando se retiró el pie y medio, muy lentamente comenzó a elevarse la intensidad, pero en una proporción cada vez mayor, que siguió creciendo hasta que se hizo evidente que finalmente se desviaría. Luego se insertaron las tiras de cadmio dentro de la estructura y la intensidad decayó con rapidez a un nivel insignificante.

En los primeros experimentos se utilizó uranio natural (238), pero dado que se podían partir los núcleos con neutrones lentos, se formaron dos equipos de investigación: el de Dunning y Booth bajo la asesoría de Urey (descubridor del agua pesada), que trabajaba con uranio enriquecido, y el de Fermi, Szilard, Zinn y Anderson, que empleaba uranio natural.

Poco después, el Proyecto Manhattan, dirigido por el general Leslie Groves y con J. Robert Oppenheimer, como uno de los jefes, dio su fruto letal: las tres primeras bombas atómicas construidas en Los Alamos, Nuevo México.

Sin embargo, toda moneda tiene dos caras. El reverso de la desgracia que representó la utilización de la energía de la fisión en las bombas atómicas lanzadas sobre Hiroshima y Nagasaki fue la construcción del reactor nuclear. Después del reactor de Chicago se construyeron rápidamente centrales nucleares en Canadá, Francia, la ex URSS, Alemania e Inglaterra.

Hasta ahora se ha dado un panorama general de los hechos más relevantes que llevaron a la construcción del primer reactor, y sólo han pasado cincuenta años desde entonces. No obstante, estos sucesos se aquilatan mejor si se tiene una idea general del funcionamiento de un reactor nuclear.

Un reactor es un sistema en el cual se libera calor como producto de la fisión nuclear controlada, el cual se aprovecha para generar electricidad, producir radioisótopos y hacer investigaciones científicas.

Para su funcionamiento, el reactor requiere de un combustible: uranio y torio son los elementos más adecuados. Más adelante se verá por qué.

El átomo se compone de un núcleo y de electrones con cierta probabilidad de encontrarlos en un lugar determinado alrededor del núcleo. Éste está formado por dos tipos de partículas: los protones y los neutrones. Los protones tienen una masa de 1.673 X 10^-27 kg, ligeramente menor que la de los neutrones (1.675 X 10-²⁷ kg). Los protones están cargados positivamente, mientras que los neutrones no tienen carga.

La estructura de los núcleos atómicos depende del número de protones y neutrones de cada núcleo. El número de protones o número atómico se designa por la letra Z, y el número de nucleones (protones más neutrones) se llama número de masa o másico y se representa por la letra A. De manera que el número A-Z da el número de neutrones de un átomo. Por ejemplo, ²³⁸U₉₂ quiere decir uranio con Z=92 protones y A=238 nucleones, por lo tanto, A-Z=146 neutrones. En cambio, el ²³⁵U₉₂ tiene Z=92 protones y A-Z=143 neutrones. El primero, ²³⁸U₉₂, es el llamado uranio natural y es el que más abunda en la naturaleza. El ²³⁵U₉₂ tiene que enriquecerse, ya que se encuentra en una proporción de 0.7% mezclado con el uranio natural. Entre los procesos de enriquecimiento pueden mencionarse la difusión y la centrifugación; ambos requieren de una tecnología compleja.

En el método de difusión gaseosa se aprovecha el hecho de que como el ²³⁵U₉₂ es más ligero que el ²³⁸U₉₂, la velocidad de difusión del ²³⁵U₉₂ a través de una delgada capa (metal poroso) es más rápida. Para lograrlo, los óxidos sólidos de uranio se transforman en hexafluoruro de uranio (UF₆), compuesto que se puede convertir en vapor fácilmente. Como la concentración de uranio enriquecido (²³⁵U₉₂) aumenta lentamente, es necesario repetir el proceso de difusión muchas veces con ayuda de bombas y condensadores.

El proceso de enriquecimiento por centrifugación se basa en que el gas de hexafluoruro de uranio (UF₆) —que contiene tanto uranio natural (²³⁸U₉₂) como enriquecido (²³⁵U₉₂)—, al someterse a la centrifugación (como cuando nos metemos al torbellino en una feria), desplaza a los bordes el uranio natural más pesado y deja más cerca del centro al uranio enriquecido, que es más ligero. El uranio ligeramente enriquecido se recoge mediante unas tuberías y se vuelve a centrifugar. Este procedimiento se repite varias veces hasta conseguir la concentración adecuada. La ventaja del método de centrifugación es que consume la décima parte de energía que el de difusión.

El número atómico o de protones determina químicamente a un elemento, aunque cambie en número de neutrones; de manera que a un elemento con diferente número de neutrones pero igual número de protones se le llama isótopo. En el ejemplo anterior el uranio 235 y el 238 son dos isótopos del mismo elemento: uranio. Los isótopos son químicamente idénticos, pero su estructura nuclear es muy diferente. Tanto así, que los dos grandes grupos de reactores se dividen en los que utilizan uranio natural como combustible en forma de óxido de uranio (UO₂) y los que usan uranio enriquecido, como hexafluoruro de uranio (UF₆). La diferencia entre ambos sólo son tres neutrones.

Si pudiéramos colocar en una balanza de equilibrio las partículas que constituyen el núcleo, separadas en uno de los platos, y en el otro todo el núcleo, observaríamos un fenómeno interesante: el plato donde se encuentran las partículas que componen el núcleo separadas, pesará más. Esta diferencia de masa entre ambos estados se debe a la energía que mantiene unidos a los protones y los neutrones y se denomina energía de amarre. Dicha energía es la que se aprovecha al romper los núcleos atómicos y se calcula a partir de la fórmula de Einstein, E = mc², que establece la equivalencia entre masa y energía.

Cuando se hace incidir un haz de neutrones en un núcleo de uranio pueden ocurrir tres cosas: 1) una reacción de dispersión en la que, debido a colisiones elásticas o inelásticas, se da únicamente un intercambio de energía entre el núcleo y los neutrones; 2) una captura radiactiva, en la cual un neutrón es capturado (lento, en la mayoría de los casos), se emiten partículas gamma ( g) o fotones de alta energía y posteriormente el átomo radiactivo decae formando otro elemento, que a su vez emite partículas beta (b) o electrones; 3) una fisión nuclear, en la cual los núcleos de número másico elevado, y sólo éstos, absorben un neutrón. El elemento pesado, al absorber el neutrón provoca que las fuerzas nucleares de atracción entre protón-protón, neutrón-neutrón y protón-neutrón, sean comparables a las fuerzas de repulsión electrostáticas (o coulombianas) entre los protones cargados positivamente.

Es decir, la fisión consiste en el rompimiento de un núcleo atómico pesado para formar dos ligeros, proceso durante el cual se libera gran cantidad de energía (véase la figura 30).

Figura 30. Reacción en cadena de un núcleo de uranio enriquecido con moderador de neutrones.

El núcleo, como resultado de la colisión con el neutrón se rompe en dos núcleos de manera parecida a como ocurre cuando una gota de agua se divide en dos. En caso de que los neutrones incidentes sean lentos, los fragmentos de núcleo guardarán una relación de 2 a 3 respecto a su masa. Éste es el caso del bario y el kriptón, y en general de cualquier pareja de elementos altamente radiactivos. Los núcleos resultantes de la fisión se llaman productos de fisión (véase la figura 30).

En las reacciones de fisión se rompen generalmente núcleos de tono, uranio o plutonio. El resultado son dos núcleos ligeros y la liberación de una enorme cantidad de energía en forma de calor y, en algunos casos, otros neutrones.

La energía liberada al bombardear un núcleo de uranio-235 es de aproximadamente 200 MeV (megaelectrón- volts). Para tener una idea de lo que representa esta cifra, equivale a una energía tres millones de veces mayor que la liberada en la combustión de carbón. La mayor parte de la energía liberada (salvo la de los neutrinos) se convierte en calor (véase el cuadro IX).

CUADRO IX. Distribución aproximada de la energía liberada en la fisión de un núcleo radiactivo.

	MeV (megaelectrón-volts)
Energía cinética de los fragmentos de fisión	168
Energía instantánea de los rayos gamma (g)	7
Energía cinética de los neutrones de fisión	5
Partículas beta (b) de los productos de fisión	7
Rayos gamma (g) de los productos de fisión	6
Neutrinos (partículas sin carga y sin masa)	10
Total	203

Por otro lado, hay núclidos (núcleos característicos) fisionables únicamente con neutrones de mucha energía, llamados neutrones rápidos; éstos son el torio-232 y el uranio-238. En cambio, hay otros que se pueden romper con neutrones de cualquier energía y en particular con neutrones de baja energía, llamados neutrones lentos. Éstos son: uranio-233, uranio-235 y plutonio-239. A este último tipo de núcleos se les llama fisibles para distinguirlos de los primeros, llamados fisionables.

Los neutrones lentos tienen mayor probabilidad de provocar una reacción de fisión —según lo demostró Fermi—, ya que pasan cerca del núcleo radiactivo durante más tiempo (la sección eficaz de dispersión es mayor para los neutrones lentos).

La energía calorífica liberada en la fisión de un kilogramo de uranio-235 es de 81 X 10¹² joules y la de un kilogramo de plutonio-239 es de 79.5 X 10¹² joules.

Una reacción de fisión puede controlarse cuando se logra que en promedio se produzcan dos o tres neutrones capaces de chocar con otros núcleos de uranio. Éste es el proceso que ocurre en el interior de un reactor. La forma física de evaluarlo consiste en medir una cantidad llamada factor de reproducción, que es igual al cociente del número de neutrones producidos en un intervalo corto de tiempo, entre los neutrones absorbidos por cualquier proceso más los neutrones perdidos también en ese intervalo. Si este valor, designado por la letra k, es igual a 1, el reactor se denomina crítico; si es menor o mayor que 1 se llama subcrítico o supercrítico, respectivamente.

La cantidad mínima de combustible necesaria para producir una reacción en cadena controlada, en el caso de un reactor, o sin control, cuando se trata de una bomba atómica, se denomina masa crítica y de ésta dependen las dimensiones del reactor (debe haber cierta densidad de neutrones producidos). Para el uranio-235, en ciertas condiciones, la masa crítica es de aproximadamente 1 kg. Sin embargo, el uranio, tal y como se encuentra en la naturaleza, nunca puede alcanzar las condiciones críticas (afortunadamente).

Un reactor, para producir energía eléctrica funciona como sigue: la parte más importante del reactor es el núcleo. En él se encuentran las barras de combustible, el moderador, el refrigerante, las barras de control, el reflector y la fuente de neutrones. Todos ellos están protegidos, para evitar que salgan las radiaciones, con una gruesa capa de acero llamada vasija del reactor y posteriormente una gruesa protección de concreto armado. Los componentes varían según el tipo de reactor. La fuente de neutrones puede ser de polonio-berilio o radón-berilio, emisores de partículas alfa (a), núcleos de helio. Ésta se acerca a las barras de combustible para iniciar la reacción nuclear.

Las barras de combustible están rodeadas de un material o sustancia llamado moderador. El moderador se encarga de frenar los neutrones para aumentar la posibilidad de producir fisiones nucleares. Como moderadores se utilizan el agua pesada (bióxido de deuterio), en los reactores canadienses CANDU, que operan con uranio natural, y agua natural en los reactores BWR y PWR (de agua hirviente y agua a presión, respectivamente), que trabajan con uranio enriquecido (véase la figura 31). También se utiliza berilio, óxido de berilio y carbón en forma de grafito. El reflector se encarga de reducir las pérdidas de neutrones en las paredes del núcleo del reactor. Las barras de control al sumergirse absorben gran cantidad de neutrones; éstas son generalmente de boro o cadmio, y su función es controlar la potencia del reactor al grado de poder pararlo inmediatamente.

Figura 31. Diagrama de un reactor de agua a presión (PWR). (FUENTE: CFE.)

El refrigerante es el fluido que absorbe el calor producido por la fisión y lo transporta fuera del núcleo del reactor. En algunos casos el moderador y el refrigerante son de la misma sustancia, por ejemplo, de agua; pero el refrigerante puede ser de sodio líquido, una mezcla de sodio y potasio, bióxido de carbono o helio.

El calor producido por la fisión se lleva fuera del núcleo (véase la figura 31) y mediante un intercambiador de calor (exceptuando el caso en que el refrigerante sea agua) se aprovecha dicho calor para producir vapor de agua, que va directamente a una turbina conectada a un generador, para así producir energía eléctrica.

Existen varios tipos de reactor: PWR (reactor de agua a presión y uranio enriquecido), BWR (reactor de agua hirviente y uranio enriquecido), CANDU (reactor de agua pesada como moderador que utiliza uranio natural y barras de combustible presurizadas), HTCR (reactor que usa como refrigerante helio gasificado a alta temperatura y grafito como moderador) y FBR (reactor rápido de cría, en el que a partir de neutrones rápidos se producen grandes cantidades de plutonio, más que el producido originalmente, de manera que no hay que recambiar las barras de combustible).

Cada tipo de reactor tiene ventajas y desventajas; sin embargo, una condición que todos deben satisfacer es la seguridad, es decir, una alta probabilidad de que no ocurran accidentes, ya que los productos de fisión son altamente radiactivos, lo que puede constituir una amenaza para cualquier forma de vida y afectar el medio. Por ello, la seguridad en los reactores es fundamental. Otro gran problema es el almacenamiento o el destino que se dé a los desechos radiactivos. Pese al rechazo social que ha ocasionado la energía nuclear por los accidentes ocurridos y por el destino de los desechos radiactivos, la tecnología nuclear es un recurso que se debe conocer y considerar dentro de las posibilidades energéticas, porque es un recurso real que proporciona a la población grandes cantidades de energía eléctrica. En el cuadro X se proporciona la radiación que recibe un ser humano en un año. Como puede observarse, la cantidad de radiación natural es superior a la artificial

CUADRO X. Radiación que recibe una persona anualmente.

Radiación	Milirems (mrem)
Radiación natural
Materiales terrestres	60
Rayos cósmicos (Sol y estrellas)	50
Materiales de construcción	5-15
Materiales terrestres	10
SUBTOTAL	125-135
Radiación del cuerpo humano por elementos radioactivos presentes en él	25
Radiación artíficial
Radiografías y fluoroscopías	40
Aparatos de televisión	5
Viajes en avión (más de 7 h)	5
Centrales nucleares	3
Relojes con carátula luminosa	2
SUBTOTAL	55
TOTAL	205-215
FUENTE: CFE, 1987

En el caso de México, se está construyendo la segunda unidad de la Central Nucleoeléctrica de Laguna Verde, Veracruz (es del tipo BWR). La primera ya genera 654 MW de potencia y es el primer reactor nuclear para producir electricidad que posee el país. La segunda unidad entrará en operación en pocos años y generará una cantidad similar de energía eléctrica.

También existen algunos reactores nucleares para experimentación, como el que tiene el Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares, en Salazar y el del Instituto de Investigaciones Nucleares, en la UNAM, pero todos éstos son reactores subcríticos.

VIII. 2. FUSIÓN NUCLEAR

En todas las estrellas y en el Sol, en particular, se llevan a cabo reacciones de fusión nuclear. A temperaturas de millones de grados los átomos se disocian y quedan cargados eléctricamente o ionizados en un estado de la materia que se denomina plasma. En estas condiciones se rompen las barreras que mantienen unidos a los electrones con el núcleo, los cuales se denominan coulombianas y se pueden unir los núcleos de los átomos, liberando grandes cantidades de energía.

En la fusión, las reacciones nucleares que ocurren en las estrellas se han reproducido en condiciones simplificadas y artificiales en los laboratorios terrestres. En una reacción de fusión dos núcleos de elementos ligeros como el hidrógeno se unen para formar uno pesado, con una energía de amarre mayor que cualquiera de los núcleos ligeros. Dado que la energía de amarre es mayor, hay un déficit de masa o una masa faltante, que se manifiesta de acuerdo con la fórmula de Einstein como una gran liberación de energía.

Los elementos e isótopos que se utilizan para producir una reacción de fusión son el deuterio, el tritio (isótopos del hidrógeno) y el helio (véase la figura 32). En los reactores de fusión, la reacción más conveniente en términos energéticos es la de deuterio y tritio. El primero se encuentra en el agua y el segundo se puede producir artificialmente a partir del litio. En términos de abundancia y costo, la reacción más conveniente es la de deuterio con deuterio.

Para vencer la repulsión electrostática de los núcleos de deuterio y tritio y poder fusionarlos se necesita alcanzar una temperatura superior a 50 millones de grados, temperatura de un plasma. Otras reacciones de fusión:



D + D He + n + 0.82 MeV

D + D T + H + 1.01 MeV

D + He He + H + 3.6 MeV

Figura 32. Reacción de fusión nuclear deuterio-tritio.

Para producir artificialmente una reacción de fusión se necesita vencer la fuerza de repulsión de los núcleos que se quieren fusionar. Esto sólo se ha logrado de dos maneras diferentes:

1) Elevando la temperatura del combustible de fusión a varias decenas de millones de grados, estado de la materia que se conoce con el nombre de plasma; en términos generales consiste en un gas cargado eléctricamente, en el cual las elevadas temperaturas hacen que se separen los electrones del gas. Sin embargo, a estas temperaturas no existe un material que pueda guardar al gas cargado o plasma. Para lograrlo se requieren grandes imanes eléctricos (electroimanes) y que el gas tenga la forma de un toro o dona. Sólo manteniendo estas condiciones, aproximadamente en pulsos de un segundo de duración, se puede producir una reacción de fusión, en la que haya ganancia de energía y ésta se pueda aprovechar. (En teoría se establece el criterio de Lawson, que señala que para un tipo de reacción el producto de la densidad del plasma por el tiempo de confinamiento debe ser igual a un valor mínimo). Este tipo de confinamiento se denomina magnético y el dispositivo más utilizado para lograrlo fue propuesto por los físicos soviéticos Igor E. Tamm y Andréi D. Sajarov, en 1950. Se denomina TOKAMAK, que es un acróstico de toroid (toroide), kamera (cámara), magnet (imán) y katushka (bobina).

En un TOKAMAK se utiliza un gran electroimán o transformador de corriente, en el cual se aplica un voltaje en el llamado primario y por inducción se produce una corriente en el secundario. En el caso del TOKAMAK, el secundario es el plasma donde se va a llevar a cabo la fusión nuclear. Como no existe ningún material que pueda soportar las temperaturas de un plasma, se ha propuesto la forma de dona o toro. Como debe ser el plasma el que haga las veces de secundario y no el recipiente metálico que lo contiene, se colocan cuatro anillos dieléctricos que cortan la dona en cuatro (llamados cortes poloidales) para que la corriente se interrumpa en el recipiente metálico que contiene el plasma. Un segundo problema es evitar que el plasma de fusión toque las paredes del recipiente, lo cual se ha resuelto colocando una bobina enrollada en la dona para que forme un campo magnético muy intenso y el plasma quede confinado magnéticamente en una segunda dona más pequeña que no toca las paredes del contenedor (véase la figura 33).

Figura 33. Diagrama esquemático de un TOKAMAK. Reactor de fusión por confinamiento magnético.

En México se ha construido en el Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares un TOKAMAK experimental llamado Novillo.

Hasta ahora, en la mayoría de los TOKAMAK los tiempos de confinamiento han sido de milésimas de segundo, razón por la cual se ha invertido más energía en calentar el plasma que la que se obtiene de la fusión nuclear.

2) Otra forma de lograr una reacción de fusión es el método de confinamiento inercial. En la fusión por el método de confinamiento inercial se ha utilizado un láser muy potente (de 30 000 000 000 de watts) que se parte en varios rayos y el pulso tiene una duración de una mil millonésima de segundo. Los "brazos" del láser se hacen incidir en una minúscula pelotita que contiene deuterio y tritio. El láser provoca un gran aumento repentino de la presión y temperatura en la cápsula con deuterio y tritio, y la fuerza de inercia comprime a los núcleos hasta lograr la fusión.

Hasta ahora no se ha logrado construir un reactor de fusión comercial, esto es, que sea capaz de producir energía eléctrica. Sin embargo, en Inglaterra se han obtenido progresos considerables. En Rusia se tienen grandes TOKAMAK, al igual que en Japón. En relación con los sistemas de confinamiento inercial, en el Lawrence Livermore Laboratory, en California, funcionan los dos grandes láseres de fusión llamados Shiva y Nova.

Entre las reacciones de fusión más convenientes, la de deuterio-tritio tiene la ventaja de que el deuterio se encuentra en forma abundante en la naturaleza y el tritio se puede producir a partir del litio como ya se había mencionado anteriormente.

Una de las grandes ventajas de la fusión controlada es la escasa radiación producida, así como la corta vida de los elementos radiactivos como el tritio (isótopo del hidrógeno), que en realidad es el único producto radiactivo de las reacciones de fusión, los neutrones que decaen en átomos de hidrógeno y los productos radiactivos que se producen cuando los neutrones chocan con las paredes del contenedor, que dependen de la estructura del mismo. Todo lo anterior, sin considerar que se produce (en el caso de la reacción deuterio-tritio) cuatro veces más energía que en la fisión nuclear. Basta esperar que se den las condiciones de ignición del reactor, es decir, que se produzca más energía de la que se invierte para lograr la fusión.