Fusión Nuclear

Si unos núcleos ligeros son forzados a juntarse, se fusionarán con una producción de energía, debido a que la masa de la combinación será menor que la suma de las masas de los núcleos individuales. Si la masa nuclear combinada es menor que la del hierro en el pico de la curva de energía de enlace, entonces las partículas nucleares estarán más fuertemente unidas de lo que estaban en los núcleos más ligeros, y esa disminución de masa, sale en forma de energía de acuerdo con la fórmula de Einstein. Para los elementos más pesados que el hierro, la fisión producirá energía.

En las fuentes de energía nuclear potenciales de la Tierra, la reacción de fusión deuterio-tritio contenida por algún tipo de confinamiento magnético, parece ser el camino más probable. Sin embargo, en la combustión de las estrellas, dominan otras reacciones de fusión.

El análisis energético de un evento de fusión nuclear se realiza evaluando las masas antes y después del mismo y tomar la diferencia. La disminución de masa utilizada en la ecuación de Einstein representa la producción energética Q.

Usando la producción de neutrones en una fusión de deuterio como ejemplo, es típico utilizar las unidades GeV/c² para representar las masas de los constituyentes. En esas unidades, la reacción de fusión anterior se convierte en

La diferencia de masa expresada en unidades de energía representa la producción energética Q de la reacción de fusión nuclear.

Si bien la producción energética es muy pequeña en comparación con las masas de los núcleos involucrados en la fusión, es, sin embargo, una producción energética muy grande. La naturaleza de esta energía no está especificada por la reacción de fusión anterior, pero la liberación de energía de fusión se puede analizar por la conservación de energía y el momento, y se encuentra entonces que el neutrón transporta el 75% de la energía después de la fusión.

Fusión Deuterio-Tritio

La más prometedora de las reacciones de fusión de hidrógeno que constituye el ciclo del deuterio, es la fusión del deuterio y el tritio. La reacción produce 17,6 MeV de energía, pero para conseguir la fusión se debe penetrar la barrera de Coulomb con la ayuda del efecto tunel, necesitándose muy altas temperaturas. El 80% de esa producción de energía está en energía del neutrón, que no es tan facilmente utilizable como la transportada por una partícula cargada. El combustible deuterio es abundante, pero el tritio debe ser generado a partir del litio u obtenido en la operación del ciclo del deuterio. Comparar con la Fisión Condiciones para la Fusión

Reacciones en la Fusión del Hidrógeno

A pesar de que se necesita una gran cantidad de energía, para superar la barrera de Coulomb e iniciar la fusión del hidrógeno, los rendimientos energéticos son suficientes para fomentar una continua investigación. La fusión del hidrógeno en la tierra podría hacer uso de las reacciones:

Estas reacciones son más prometedoras que la fusión protón-protón de las estrellas como fuentes potenciales de energía. De éstas, la fusión deuterio-tritio parece ser la más prometedora y ha sido objeto de la mayoría de los experimentos. En un reactor de deuterio-deuterio, también puede ocurrir otra reacción, creando un ciclo de deuterio:

Ciclo de Fusión del Deuterio

Las cuatro reacciones de fusión que pueden ocurrir con el deuterio, se puede decir que forman el ciclo del deuterio. Las cuatro reacciones:

se pueden combinar como

u, omitiendo los constituyentes cuyas concentraciones no cambian:

Reproducción del Tritio

La fusión de deuterio y tritio es la más prometedora de las reacciones de fusión del hidrógeno, pero no se produce tritio en la naturaleza, ya que tiene una semi vida de 10 años. La fuente más prometedora de tritio, parece ser la reproducción de tritio a partir del litio-6, por el bombardeo de neutrones en la reacción

que se puede conseguir con neutrones lentos. Esto podría ocurrir si el litio se utilizara como refrigerante y medio de transferencia de calor, alrededor de la cámara de reacción de un reactor de fusión. El litio-6 representa el 7,4% del litio natural. Si bien esto constituye una fuente importante, es el recurso que limita el proceso de D-T, ya que el suministro de combustible de deuterio es virtualmente ilimitado. Con los neutrones rápidos, el tritio puede ser generado a partir del más abundante Li-7:

El esquema conceptual a continuación está excesivamente simplificado ya que la ingeniería para manejar el litio líquido es bastante compleja.

Fuente de Deuterio

Puesto que la reacción de fusión nuclear más práctica para la generación de energía, parece ser la reacción de deuterio-tritio, las fuentes de estos combustibles son importantes. La parte del deuterio combustible no representa un gran problema, ya que aproximadamente 1 parte en 5000 del hidrógeno en el agua de mar, es deuterio. Esto equivale a más de 10¹⁵ toneladas de deuterio. Visto como un posible combustible para un reactor de fusión, un galón de agua de mar podría producir tanta energía como 300 galones de gasolina. La parte del tritio del combustible es más problemático, -no hay ninguna fuente natural considerable, ya que el tritio es radiactivo con una semi vida de alrededor de 10 años-. Tendría que obtenerse mediante la reproducción del tritio a partir del litio.

Liberación de la Energy de Fusión

Una gran cantidad de energía es liberada por las reacciones de fusión nuclear. Parece que para la generación de energía, la reacción del deuterio-tritio es la más práctica, pero esta proporciona la mayor parte de la energía al neutrón liberado. Esto es problemático porque es más difícil extraer energía de los neutrones en comparación con las partículas cargadas. La fusión deuterio-deuterio divide su energía de salida entre neutrones y protones. La fracción de protones interactúa por la fuerza electromagnética con el medio y convierte muy rápidamente su energía cinética en energía térmica.

Es práctico examinar las energías cinéticas de los productos de la fusión nuclear en el marco de referencia del centro de masa. Esto equivale a despreciar las energías cinéticas de las partículas que reaccionan antes de la fusión, lo que se justifica por el hecho de que esas energías están usualmente en el rango de 1-10 keV y el rendimiento de la fusión está en el rango de MeV. En el marco del CM las energías de los constituyentes a y b en términos de la liberación de energía de fusión Q son:

Las magnitudes de los momentos en ese marco son iguales:

Combinando estas dos ecuaciones se obtiene:

Esto nos permite determinar las magnitudes relativas de las energías de los dos productos de fusión:

Para la fusión D-D, la partícula más pequeña transporta el 75% de la energía. Con m(He3) = 2,8084 GeV/c2, m(H3) = 2,8089 GeV/c2,m(n) = 0,9396GeV/c2, y m(p) = 0,9383GeV/c2, se muestran las energías del producto para la fusión deuterio-deuterio. Con una producción total de 3,27 GeV para la reacción neutrónica, el neutrón lleva el 74,93% de la producción. Para la reacción de protones con una producción de 4,03 GeV, el protón lleva el 74,96%.

En la fusión D-T, la partícula más pequeña transporta el 80% de la energía. Con m(He4) = 3,7274 GeV/c2 y m(n) = 0,9396 GeV/c2, se muestran las energías producidas en la fusión del deuterio-tritio. Con una producción total de 17,69 GeV para esta reacción, el neutrón lleva el 79,87% de la producción.