La Fusión Nuclear es una reacción exoenergética de dos núcleos atómicos. La energía de la reacción proviene del defecto de masa entre los núcleos reaccionantes y los núcleos y partículas resultantes de la reacción. La conversión de energía viene directamente definida por la famosa ecuación de Einstein E = m×c2. Para que una reacción de Fusión pueda tener lugar entre dos núcleos atómicos, éstos se deben acercar lo suficiente. Esto supone vencer la fuerza de repulsión coulombiana entre los dos núcleos, que como es conocido, se escala como la inversa de la distancia entre las cargas al cuadrado. Debido a las distancias microscópicas que se necesitan para que la reacción nuclear tenga lugar, las fuerzas de acercamiento de los núcleos deben ser enormes.
Para hacerse una idea de la magnitud de las fuerzas involucradas a la fusión, basta con alzar la vista en un día soleado. El Sol es el reactor de Fusión que nos pone como ejemplo el Universo. Debido a su gran masa (principalmente Hidrógeno), se producen unas fuerzas gravitatorias enormes, lo que produce una elevada densidad, presión y temperatura en su interior. La temperatura es lo suficientemente elevada como para que los electrones queden liberados de las fuerzas que los unen a los núcleos positivos por fuerzas coulombianas. Este estado de la materia es lo que se denomina plasma. Las altas densidades hacen que los núcleos se encuentren lo suficientemente cercanos, y junto con la elevada energía cinética, que permite que en los choques parte de la energía se emplee en vencer la repulsión coulombiana, hace que las reacciones de Fusión sean posibles. En el caso del Sol, la reacción de Fusión más común es la siguiente:
4×H1 + 2×e- —> He4 + 2 neutrinos + 6 fotones + 26 MeV
Para poder utilizar la Fusión nuclear como fuente energética, en primer lugar se deben elegir otros núcleos reaccionantes, pues el ciclo de los protones es muy lento. En el caso de utilizar isótopos de hidrógeno como núcleos a fusionar (el Deuterio y el Tritio), la probabilidad de la reacción aumenta considerablemente. La reacción que se utiliza para conseguir energía de la fusión es por lo tanto:
H2 (D)+ H3(T) —> He4 + n + 18 MeV
Las condiciones de temperatura y densidad necesarias para alcanzar la fusión con este tipo de combustible son menores que las necesarias en el Sol. Cada reacción nuclear da lugar a 17,6 MeV de energía, lo que supone una energía específica de 8.6×105 MJ/g. Esta energía específica es la más alta conocida, tanto en energía nuclear como en energía química. La facilidad de obtener el combustible (tanto el deuterio, de forma natural, como el tritio, como resultado de la captura del neutrón de fusión por núcleos de Litio), y las reservas amplísimas de estos materiales, hacen de la fusión nuclear una solución a los problemas energéticos de la humanidad en el futuro. “Sólo” queda conseguirlo.
El problema de la fusión es el mantener un plasma confinado el suficiente tiempo y a las condiciones necesarias de temperatura y densidad como para que se lleve a cabo la fusión la la mayor parte de combustible posible. Uno de los principales problemas a la hora de trabajar con plasmas es su capacidad de expansión. Por su propia naturaleza, los plasmas tienden a difundirse muy rápidamente, separándose las partículas unas de otras a gran velocidad, disminuyendo la densidad y la temperatura de las partículas de una forma muy rápida. Es necesario, por lo tanto, confinar el plasma. En el caso del sol, es la fuerza gravitatoria la que consigue mantener confinado el plasma. Además, debido a las altas temperaturas del plasma, el contacto de éste con cualquier vasija o envoltorio provocaría la erosión de las paredes, y la consiguiente contaminación del plasma. Esto supondría un incremento de las pérdidas de radiación, y una mayor temperatura del plasma para conseguir fusión. El plasma, por lo tanto, no puede estar en contacto con ningún sólido. En el caso de las aplicaciones a escala terrestre, existen dos tecnologías investigadas en la actualidad en paralelo (aunque no son las únicas), que permiten este confinamiento del plasma.
La primera de ellas se denomina Fusión por Confinamiento Magnético. Esta es la solución para el confinamiento adoptada por el ITER. En ella se utilizan campos magnéticos para mantener las partículas cargadas del plasma en una trayectoria toroidal, como se aprecia en la siguiente figura.
Para ello, se han de generar unos campos magnéticos (de orden de Teslas) denominados toroidales y poloidales, que mantienen el plasma confinado en el toro. Cuando ambos campos magnéticos se generan mediante arrollamientos exteriores, se denomina una configuración de Stellerator. Cuando sólo es el campo magnético toroidal el que se genera mediante los imanes exteriores, y el poloidal es generado por la propia corriente eléctrica que forma el plasma en su camino toroidal, la configuración se denomina Tokamak. En el caso del ITER, la configuración adoptada es la de Tokamak.
Una vez confinado el plasma en la configuración toroidal, hay que cederle energía para alcanzar las altas temperaturas de ignición necesarias para producir la fusión. En el caso del confinamiento magnético, las densidades alcanzada en el plasma son relativamente bajas (muy inferiores al estado sólido), del orden de 1014 iones/cm3. La temperatura del plasma se debe elevar hasta unos 46 millones de grados, (la denominada temperatura de ignición, alcanzada la cual, la potencia de Fusión es superior a la que se pierde por radiación.) Para elevar el plasma a estas temperaturas, se utilizan técnicas de radiofrecuencia, inyección de neutros, etc.
La segunda tecnología para alcanzar la fusión se denomina Fusión por Confinamiento Inercial. En este caso, en lugar de tener plasmas de baja densidad, alta temperatura y alto tiempo de confinamiento, se tienen plasmas de alta densidad, baja temperatura, y muy bajo tiempo de confinamiento. El blanco de fusión, donde está contenido el combustible, es generalmente esférico, y tiene unas dimensiones milimétricas. Si se ilumina la superficie exterior de dicho blanco con un láser lo más uniformemente posible, se produce un proceso de ablación del material de la superficie del blanco. Por la conservación de la cantidad de movimiento, o lo que es lo mismo, por efecto cohete, se produce una compresión del blanco hasta muy altas densidades (del orden de 100 y hasta 1000 veces la densidad normal del combustible.) Esto da lugar a altas temperaturas en el interior del blanco.
