Atravesar paredes, el sol y la fusión nuclear

A propósito de un comentario
Pocos días atrás un comentario de nuestro regular Marcelo me llamó la atención y me puse a averiguar un poco, así fue como me encontré asuntos muy interesantes que aprovecharé de compartirles en esta entrada..

Lo que comentaba nuestro amigo era el experimento en el Laboratorio Nacional Laurence Livermore donde lograron por primera vez, después de muchas décadas de experimentos fallidos, "encender" un reactor nuclear de fusión controlada, con un proceso que producía más energía de la que se había usado para producir la reacción.

¿Por qué es tan difícil?
Yo sabía que producir una fusión nuclear no es imposible, pero no entendía nada de los problemas específicos. El principal es que se necesitaba usar mucha más energía en producir la reacción y mantenerla confinada. Si hay que usar que usar -digamos- 100 unidades de energía para conseguir 80, no tendría ninguna utilidad prática como generador, ese era uno de los problemas más complicados.

Cómo funciona una bomba H
Pero son varios los problemas. La tecnología para producir fusión nuclear existe desde los años 50, cuando se desarrollaron las primeras bombas de hidrógeno, donde se fusionan nucleos de hidrógeno y la reacción se enciende con una explosión nuclear convencional, de fision. 

Usando explosivos muy potentes, colocados en una geometría especial estos golpean un núcleo de plutonio o uranio enriquecido. La reacción en cadena de fisión sería solo el iniciador que daría la energía suficiente para comenzar a fusionar núcleos de hidrógeno.

Esto nos da una idea de la potencia que se necesita para encender la fusión nuclear y de la dificultad de mantener esa fusión de manera contínua y controlada, no en una explosión como ocurre en una bomba H. 

Para que vean los niveles de energía, una bomba de fision como la de Hiroshima libera unos 15-20 kilotones, mientras que una bomba H de fusión puede liberar unos 50.000 kilotones (un kilotón equivale a la explosión de 1.000  toneladas de TNT). Son como 3 ordenes de magnitid de diferencia.

Por qué no podemos atravesar las paredes
¿Por qué se necesita tanta energía para encender una fusión? Sorprendentemente me encuentro que la explicación de esto es la misma cosa que explica por qué no podemos atravesar las paredes, por qué existen cosas sólidas o por que no nos caemos hasta el centro de la tierra al pisar el suelo, siendo que los átomos están casi totalmente vacíos.

Resulta que los átomos nunva llegan a tocarse. Si queremos acercar dos átomos necesitaremos empujarlos de alguna manera para que se acerquen, pero llegado a la distancia de .0.0000001mm la repulsión crece demasiado y para seguirlas acercando se necesitan enormes canidades de energía. 

Esto ocurre por dos mecanismos diferentes cuyos efectos se suman: el primero es la repulsión electrostática, como sabemos "cargas iguales se repelen" y los electrones de las capas superiores de dos átomos son ambos negativos, así es que mientras más los acercamos, se repelen con más fuerza. 

Pero además existe el "principio de exclusión de Pauli", que dice que los electrones solo tienen permitidos cieros niveles de órbita, si los colocas en una distancia no permitida simplemente se repelen.

Por eso no podemos atravesar las paredes, por eso las cosas sólidad son impenetrables y por eso al pisar el suelo no nos hundimos, en este último caso por ejemplo, los electrones de las capas superiores en los átomos de la planta de nuestros pies, al llegar a cierta distancia, se repelen con los de la capa superior de los átomos del suelo. Esa es la explicación física: flotamos sin darnos cuenta.

Y esa es la explicación por la que se necesitan cantidades gigantescas de energía para conseguir que dos núcleos se fusionen: hay que vencer la repulsión electrostática de los electrones y además el principio de exclusión de Pauli. 

Eso también explica por qué la fusión se hace con átomos de hidrógeno o alguno de sus isotopos, como son los átomos con un solo electrón, donde es menor la repulsión que hay que vencer. 

Necesitamos  crear un pequeño sol
El sol es un ejemplo de fusión nuclear controlada ¿cual es el problema para hacer un reactor que funcione como un pequeño sol? La masa pues, ese es el secreto que mantiene al sol encendido por millones de años: la energía gravitatoria que le da su masa, por eso el sol no explota como una bomba, eso es lo que mantiene confinada la reacción y lo que lo mantiene encendido:

En este punto, seguramente habrán notado que no es cualquier masa, hay un rango de masa crítica en el que el sol funciona así, si la masa es menor el sol no se encendería y cuando crece demasiado la fuerza gravitatoría empieza a presionar sobre el núcleo, hasta que llegado un momento explota como si fueran trillones de bombas H. 

En realidad todas las estrellas pasan por ese ciclo de vida, al principio son gases que solo se atraen sin encenderse, luego se encienden convertidos en una estrella y finalmente colapsan, creo que esos son los quasar, no estoy seguro. 

Para las reacciones de fisión en cambio, donde se trata de partir un átomo en dos para producir una reacción en cadena, se necesitan los átomos más grandes que existen como los de uranio enriquecido, cuyas últimas capas de elctrones están muy lejos del núcleo y están más debilmente atadas al átomo. Gracias a eso son inestables y radioactivos. 

Basta con una explosión de mucha menos fuerza pero bien dirigida para hacer una bomba de fisión. Dicho todo esto volvamos al problema principal, que es  lograr que dos átomos con un solo electrón se junten tanto que lleguen a fusionarse, que la energía usada en juntarlos y mantener la reacción confinada (o sea que no explote como una bomba H) sea menor a la energía producida por la reacción misma.

¿Por qué el hidrogeno?
La fusión ocurre solo con átomos de hidrógeno: para acercar dos átomos de helio se necesitaría de una energía inmensamente mayor, para que hablar de otros más grandes. Se usan entonces los átomos de Hidrógeno y sus isotopos como deuterio y tritio, todos con un electrón nomas, pero con uno o dos neutrones adicionales.

Si no disponemos de la masa del sol para lograrlo por gravedad ¿cómo podríamos hacerlo? Se está intentando por dos caminos: con láseres de enorme potencia conentrados sobre una pequeña cápsula de hidrógeno o creando un plasma a enormes temperaturas confinado con un campo electromagnético, esto último supongo que es más factible para un reactor comercial.

En todo caso para encender una fusión hay que generar 10 o más veces el calor que el que se produce en el núcleo del sol, o sea la falta de masa se sustituye inyectando mucho más calor. 

Un error que yo tenía era que un reactor así sería muy peligroso, por ejemplo si fallase el confinamiento del plasma podría causar una explosión. Nada que ver, si falla cualquier sistema la reacción se detiene sola, a diferencia de la reacción en cadena de una fisión nuclear, un reactor de fusión es esencialmente seguro, porque la reacción no se reproduce sola como en la fisión.

El experimento
El experimento en el Laboratorio de Livermore consiguió encender una fusión y lograr durante millonésimas de segundo una ganancia neta de energía, lo que no es muy práctico que digamos pero por algo se empieza ¿cómo lo hicieron para acercar los átomos? Aquí encontré una descripción del experimento:

A la 1:03 de la madrugada del 5 de diciembre, cuando 192 láseres gigantes de la Instalación Nacional de Ignición del laboratorio hicieron estallar un pequeño cilindro del tamaño del borrador de un lápiz que contenía un nódulo congelado de hidrógeno encerrado en diamante.

Los rayos láser entraron por la parte superior e inferior del cilindro, vaporizándolo. Esto generó una descarga de rayos X hacia el interior que comprimió una pastilla de combustible del tamaño de una bala de deuterio y tritio, las formas más pesadas del hidrógeno.

En un breve instante que duró menos de 100 trillonésimas de segundo, 2,05 megajulios de energía —aproximadamente el equivalente a medio kilo de trinitrotolueno— bombardearon la pastilla de hidrógeno. Salió un torrente de partículas de neutrones —el producto de la fusión— que transportaban unos 3 megajulios de energía, un factor de 1,5 en ganancia energética.

Esto cruzó el umbral que los científicos de la fusión láser denominan ignición, la línea divisoria en la que la energía generada por la fusión es igual a la energía de los láseres entrantes que inician la reacción.

Falta mucho
Este experimento costó 3.500 millones de dólares, solo para instalar el laboratorio en 1997 y los experimentos partieron en 2009, dando una seguidilla de fracasos, hasta conseguir los modestos pero importantísimos resultados que tenemos hoy.

Hay una enorme distancia que recorrer para llegar a un reactor comercial que genere cantidades útiles de manera contínua, pero si eso se llega a lograr en algún futuro, esto será el avance de la ciencia más gigantesco y útil de toda la historia: la energía será tan abundante y disponible como el aire que respiramos. Difícilmente lo vamos a ver nosotros, aunque por un golpe de suerte... quien lo sabe.

Los malditos políticos
Finalmente algo de lo que poco se habla. Los políticos verdes, ambientalistas y chiflados por el estilo han ensuciado todos estos desarrollos, paralizando y bloqueando fondos para la investigación y construcción de reactores. De no ser por ellos hoy estaríamos repletos de reactores de fisión por todo el mundo, porque con suficiente plata la investigación habría avanzado para hacerlos cada vez más más sencillos, seguros y limpios. 

Toda la campaña antinuclear ha sido desastrosa porque nos ha condenado al oscurantismo y la pobreza, no existe mejor manera de enriquecerse que obteniendo energía a bajo costo, porque al final todo lo que consumimos en nuestra perra vida es energía.