La energía de fusión tiene el potencial de suministrar energía segura, limpia y casi ilimitada. Aunque las reacciones de fusión pueden producirse para núcleos ligeros de peso inferior al del hierro, la mayoría de los elementos no se fusionan a menos que se encuentren en el interior de una estrella. Para crear plasmas ardientes en los reactores de fusión experimentales, como los tokamaks y los stellarators, los científicos buscan un combustible que sea relativamente fácil de producir, almacenar y llevar a la fusión. La mejor apuesta actual para los reactores de fusión es el combustible de deuterio-tritio. Este combustible alcanza las condiciones de fusión a temperaturas más bajas en comparación con otros elementos y libera más energía que otras reacciones de fusión.
El deuterio y el tritio son isótopos del hidrógeno, el elemento más abundante del universo. Mientras que todos los isótopos del hidrógeno tienen un protón, el deuterio tiene además un neutrón y el tritio tiene dos neutrones, por lo que sus masas iónicas son más pesadas que las del protio, el isótopo del hidrógeno sin neutrones. Cuando el deuterio y el tritio se fusionan, crean un núcleo de helio, que tiene dos protones y dos neutrones. La reacción libera un neutrón energético. Las centrales de fusión convertirían la energía liberada por las reacciones de fusión en electricidad para alimentar nuestros hogares, empresas y otras necesidades.
Afortunadamente, el deuterio es común. Aproximadamente 1 de cada 5.000 átomos de hidrógeno en el agua de mar está en forma de deuterio. Esto significa que nuestros océanos contienen muchas toneladas de deuterio. Cuando la energía de fusión se haga realidad, un solo galón de agua de mar podría producir tanta energía como 300 galones de gasolina.
El tritio es un isótopo radiactivo que decae con relativa rapidez (tiene una vida media de 12 años) y es poco frecuente en la naturaleza. Afortunadamente, la exposición del elemento más abundante, el litio, a neutrones energéticos en un reactor de fusión puede generar tritio. Una central de fusión en funcionamiento podría utilizar el litio para generar el tritio que necesita para cerrar el ciclo de combustible de deuterio-tritio, ya que el litio puede obtenerse de la corteza terrestre a través de la extracción de minerales y de los desiertos de sal.
Oficina de Ciencia del Departamento de Energía: Contribuciones al combustible deuterio-tritio
Parte de la misión del programa de Ciencias de la Energía de Fusión (FES) de la Oficina de Energía del Departamento es desarrollar una fuente de energía de fusión práctica. FES trabaja con el programa de Investigación de Computación Científica Avanzada utilizando la computación científica para avanzar en la ciencia de la fusión y comprender el efecto de la masa iónica en varios fenómenos del plasma. En las instalaciones de usuarios de la Oficina de Ciencia, como el tokamak DIII-D y el tokamak esférico NSTX-U, los científicos estudian el impacto de la masa iónica en el confinamiento, el transporte y la turbulencia del plasma. También se estudia el confinamiento de productos de fusión, como el ion helio, en presencia de campos magnéticos helicoidales. El programa de Física Nuclear de la Oficina de Ciencia desarrolla la ciencia nuclear fundamental que sustenta la comprensión de la fusión mediante la creación de bases de datos de reacciones nucleares, la generación de isótopos nucleares y la elucidación de aspectos de la nucleosíntesis.
Combustible de deuterio y tritio
- El agua hecha de deuterio es aproximadamente un 10 por ciento más pesada que el agua ordinaria. Por eso a veces se le llama «agua pesada». De hecho, se hundirá hasta el fondo de un vaso de agua ordinaria.
- Las fuentes de tritio en la Tierra incluyen la producción natural a partir de las interacciones con los rayos cósmicos, los reactores de fisión nuclear que producen energía, como el reactor CANDU de agua pesada, y las pruebas de armas nucleares.
- Para evitar ciertos retos de R&D, entre los que se encuentra el daño estructural del material a causa de los neutrones energéticos, los científicos de la fusión están interesados también en las reacciones de fusión aneutrónica (como la fusión de deuterio-helio-3 y la fusión protón-boro), aunque estas reacciones de fusión se producen a temperaturas iónicas más altas que las del deuterio y el tritio.
Recursos y términos relacionados
- ¿Cómo funciona la energía de fusión?
- Programa de Ciencias de la Energía de Fusión de la Oficina de Ciencia del DOE de Estados Unidos
- Ciencia de cerca: Developing a Cookbook for Efficient Fusion Energy
- Fusion Research Ignites Innovation
Ackledgements
Matthew Lanctot (U.S. DOE Office of Science)