La fusió nuclear és una reacció nuclear on dos nuclis d'àtoms lleugers s'uneixen per formar un altre nucli més pesat. Els àtoms que s'utilitzen són isòtops d'hidrogen (deuteri i triti). Durant la fusió de dos àtoms es modifica la composició de la força nuclear dels nuclis i s'allibera o absorbeix una gran quantitat d'energia en forma de raigs gamma i també d'energia cinètica de les partícules emeses.
L'energia emesa és tan gran que és possible que la matèria entri en estat de plasma.
Les reaccions de fusió nuclear poden emetre o absorbir energia. Si els nuclis que es fusionaran tenen menys massa que el ferro s'allibera energia. Per contra, si els nuclis atòmics que es fusionen són més feixucs que el ferro la reacció nuclear absorbeix energia.
De moment encara no ha estat possible construir cap reactor de fusió capaç de produir energia elèctrica. Tot i això, actualment s'està treballant amb diversos projectes - com el projecte ITER al sud de França - amb el propòsit de generar energia neta mitjançant l'energia de fusió.
Exemples de fusió nuclear: el Sol
Els exemples de fusió nuclear es poden trobar en diverses situacions, tant a la natura com a aplicacions controlades per l'ésser humà. Alguns exemples són:
- Fusió al sol: La principal font d'energia del Sol és la fusió nuclear. Al nucli, els nuclis d'hidrogen es combinen per formar heli, alliberant una immensa quantitat d'energia en forma de llum i calor.
- Bomba d'hidrogen: Les bombes d'hidrogen, també conegudes com a bombes termonuclears, utilitzen la fusió nuclear per generar explosions extremadament poderoses. En aquestes bombes, la fusió de nuclis dhidrogen per formar heli i altres elements pesats allibera energia explosiva.
- Reactors de fusió experimental: S'han construït reactors de fusió experimental, com el Tokamak i el Stellarator, per investigar i desenvolupar la fusió nuclear controlada com a font d'energia. Aquests dispositius creen condicions similars a les del nucli del Sol per aconseguir la fusió.
Requisits d'una reacció de fusió
Per efectuar les reaccions de fusió nuclear, s'han de complir els requisits següents:
-
Aconseguir una temperatura molt elevada per separar els electrons del nucli i que aquest s'aproximi a un altre vencent les forces de repulsió electrostàtiques. La massa gasosa composta pels electrons lliures i els àtoms altament ionitzats s'anomena plasma.
-
És necessari el confinament per mantenir el plasma a temperatura elevada durant un mínim de temps.
-
La densitat del plasma ha de ser suficient perquè els nuclis estiguin a prop els uns dels altres i puguin generar reaccions de fusió nuclear.
Confinament per a la fusió nuclear
Els confinaments convencionals que s'utilitzen als reactors nuclears de fissió no són possibles a causa de les altes temperatures del plasma que han de suportar. Per aquest motiu, s'han desenvolupat dos mètodes de confinament importants:
-
Fusió nuclear per confinament inercial (FCI): Consisteix a crear un mitjà tan dens que les partícules no tinguin gairebé cap possibilitat d'escapar-se sense xocar entre si.
-
Fusió nuclear per confinament magnètic (FCM): Les partícules elèctricament carregades del plasma són atrapades en un espai reduït per lacció dun camp magnètic. El dispositiu més desenvolupat té forma toroïdal i s'anomena Tokamak.
Funcionament: Reaccions de fusió
Els elements atòmics emprats normalment en les reaccions fusió nuclear són l'Hidrogen i els seus isòtops: el Deuteri (D) i el Triti (T). Les reaccions de fusió més importants són:
D + T -> 4He + n + 17,6 MeV
Fusionant un nucli de Deuteri amb un nucli de Triti, s'obté un nucli de Heli format per dos neutrons i dos protons, alliberant 1 neutró i 17,6 MeV d'energia.
D + D -> 3He + n + 3,2 MeV
Fusionant dos nuclis de Deuteri, s'obté un nucli de Heli format per un neutró i dos protons, alliberant un neutró i 3,2 MeV d'energia.
D + D --> T + p + 4,03 MeV
Fusionant dos nuclis de Deuteri, s'obté un nucli de Triti, un protó i 4,03 MeV d'energia.
Perquè tinguen lloc aquestes reaccions s'ha de subministrar als nuclis l'energia cinètica necessària perquè s'aproximin els nuclis que es fusionaran, vencent així les forces de repulsió electrostàtica. Per això cal escalfar el gas fins a temperatures molt elevades, com les que se suposa que tenen lloc al centre de les estrelles.
El requisit de qualsevol reactor de fusió nuclear és confinar aquest plasma amb la temperatura i densitat prou elevades i durant el temps just, per tal de permetre que es produeixin suficients reaccions de fusió nuclear, evitant que s'escapin les partícules, per obtenir un guany net energia.
Aquest guany energètic depèn que l'energia necessària per escalfar i confinar el plasma sigui menor que l'energia alliberada per les reaccions de fusió nuclear. En principi, per cada mil·ligram de deuteri-triti es poden obtenir 335 MJ.
Combustible nuclear per a la fusió
Per a les reaccions de fusió nuclear calen nuclis lleugers. Bàsicament s'utilitzen Deuteri i Triti, que són dos isòtops de l'hidrogen (l'element més lleuger de la taula periòdica).
1. Deuteri
El Deuteri és un isòtop estable de l'hidrogen format per un protó i un neutró. L'abundància a l'aigua és d'un àtom per cada 6.500 àtoms d'hidrogen. Això suposa que a l'aigua de mar hi ha una concentració de 34 grams de deuteri per metre cúbic d'aigua.
El contingut energètic del deuteri és tan elevat que l‟energia que es pot obtenir del deuteri d‟un litre d‟aigua de mar és equivalent al‟energia que es pot obtenir de 250 litres de petroli.
Tenint en compte l'abundància de deuteri als oceans es pot considerar aquesta font d'energia com a renovable.
2. Triti
L'altre element emprat en la fusió nuclear, el triti, és l'isòtop inestable o radioactiu de l'àtom d'hidrogen. Està compost per un protó i dos neutrons i es desintegra per emissió beta amb relativa rapidesa.
Encara que el triti és escàs a la natura, es pot generar per reaccions de captura neutrònica amb els isòtops del Liti. El Liti és un material abundant a l'escorça terrestre ia l'aigua del mar.
Projecte de recerca de la fusió nuclear
El projecte més avançat en fusió nuclear per confinament magnètic és l'ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), prototip basat en el concepte reactor Tokamak, i en què s'espera assolir la ignició.
Davant els bons resultats obtinguts al Joint European Torus (JET) , el 1990 es va decidir continuar el programa de fusió amb una instal·lació més gran en què a més del reactor, es poguessin provar els seus sistemes auxiliars sense generar encara electricitat. En aquest projecte hi participen la Unió Europea, Canadà, EUA, Japó i Rússia.
L'objectiu és determinar la viabilitat tècnica i econòmica de la fusió nuclear per confinament magnètic per generar electricitat, com a fase prèvia a la construcció d'una instal·lació de demostració comercial.
A la màquina ITER no es produirà energia elèctrica, es provaran les solucions als problemes que necessiten ser resolts per fer viables els futurs reactors de fusió nuclear.