Fusión Nuclear Pro Medio De Laser

FUSIÓN NUCLEAR POR MEDIO DEL LÁSER

En este pequeño libro hablaremos de uno de los más fascinantes desafíos científicos de este siglo: cómo obtener la fusión nuclear por medio del láser. El interés al respecto reside en que, si existe una forma de lograrla, proporcionaría al hombre una fuente de energía abundante y prácticamente inagotable. No obstante, para que esto sea posible primero se deberán resolver complejas cuestiones tecnológicas, necesarias para comprender cabalmente los diversos aspectos de la física de la fusión láser.

Como es sabido, la energía nuclear ha sido utilizada por el hombre desde hace varias décadas, en usos civiles y militares: reactores nucleares que suministran electricidad a nuestras ciudades, y bombas de inimaginable poder destructor. Las reacciones nucleares que se producen en los ejemplos anteriores se clasifican como reacciones de fisión o reacciones de fusión. En las reacciones de fisión los núcleos de los átomos pesados, como el del uranio o el del plutonio, son fraccionados o fisionados dando como resultado átomos más pequeños; mientras que en las reacciones de fusión los núcleos de los átomos ligeros, como el del hidrógeno o el del helio, son unidos o fusionados, produciendo átomos más pesados. En ambos casos se libera energía en la reacción. De hecho, el Sol y todas las demás estrellas producen su energía a partir de reacciones nucleares de fusión.

Las reacciones nucleares de fisión se utilizan hoy en todos los reactores nucleares del mundo. También se emplearon en la construcción de las primeras bombas atómicas, conocidas como bombas A, similares a las que lamentablemente fueron detonadas en 1945 sobre las ciudades japonesas de Hiroshima y Nagasaki. En el primer caso que ocurre en un reactor nuclear, se trata de una reacción de fisión controlada, mientras que en el segundo, el de la bomba, se trata de una violenta reacción nuclear de fisión sin control alguno.

Existen actualmente varios métodos mediante los cuales se intenta lograr la fusión nuclear controlada. Estos son esencialmente tres: fusión por confinamiento magnético, fusión por haces de partículas y fusión láser. En este libro se exponen las ideas básicas de este último método, basado en el uso de rayos láser de muy alta intensidad. A lo largo de estas páginas describimos, por tanto, las reacciones nucleares de fusión, la operación y construcción de láseres de muy alta intensidad, la física de la materia cuando es irradiada por luz láser, así como algunas técnicas experimentales usadas para estudiar la materia en estas condiciones. Asimismo, se explica la idea básica de la propuesta para construir una central de generación eléctrica de fusión. Finalmente, en el Epílogo, se presentan algunas reflexiones respecto a la situación energética actual en el mundo y su relación con otros problemas, como la contaminación ambiental.

UNO de los logros más importantes de la física del siglo XX fue llegar a comprender la estructura atómica de la materia. El deseo por conocer cuáles son los bloques últimos que la constituyen ha acompañado al hombre seguramente desde tiempo inmemorial. Entre los griegos de la antigüedad existió la idea de que el Universo o cosmos que nos rodea surgió de un caos original. Pero no fue sino hasta el siglo V a. C. que el filósofo Demócrito propuso la teoría atómica según la cual la materia está constituida en su más íntima escala por partículas indivisibles llamadas átomos. De este modo los griegos hablaban, por ejemplo, de átomos de agua. Esta primaria teoría atómica evolucionó con el desarrollo científico de la humanidad y ahora sabemos que los átomos de agua de los antiguos griegos son en realidad moléculas, esto es, estructuras que a su vez están compuestas por los elementos simples que ahora conocemos como átomos.

El primer modelo moderno de un átomo fue propuesto por Thomson en 1907. De acuerdo con él, el átomo es una nube o pasta de carga positiva —requerida para equilibrar la carga negativa de los electrones, pues en total los átomos son neutros— que contiene a los electrones libremente en su interior en forma similar a un pastel con pasas, como de hecho se llegó a conocer ese modelo. No obstante, experimentos realizados por Rutherford en 1911 mostraron que la carga positiva del átomo no se encuentra uniformemente distribuida como Thomson supuso en su modelo, sino concentrada en un punto llamado núcleo, alrededor del cual giran los electrones. El modelo atómico de Rutherford explicaba algunos resultados experimentales observados, pero entró en conflicto con la teoría electromagnética clásica, que predice que toda partícula con carga eléctrica en movimiento acelerado debe radiar energía en forma de ondas electromagnéticas. Debido a que un electrón que se mueve en sentido circular uniforme está sometido a una aceleración —pues aunque no cambia la magnitud de la velocidad, cambia constantemente su dirección— éste radiará energía. Por tanto, el modelo de Rutherford predice que los átomos son inestables pues cada electrón, al girar alrededor del núcleo, radiará su energía y se colapsará hacia el núcleo atómico siguiendo una trayectoria espiral en un proceso que toma sólo una cien millonésima de segundo. Es decir que, ¡el Universo tal como lo conocemos no existiría!

La solución a este problema fue dada por el físico danés Niels Bohr en 1913. El modelo atómico de Bohr propone que los electrones únicamente pueden girar alrededor del núcleo en ciertas órbitas estables y que el pasar de una órbita estable a otra requiere del intercambio de cantidades cuantizadas de energía. Este modelo tuvo gran éxito pues sus predicciones coinciden con las observaciones espectroscópicas del hidrógeno estudiadas por varios científicos como Balmer, Lyman y otros. Es decir, con su modelo Bohr no sólo explicó la estabilidad atómica sino que, tomando en cuenta las transiciones electrónicas entre las órbitas estables permitidas, pudo dar una base teórica a las observaciones espectroscópicas conocidas.

ESTRUCTURA ATÓMICA

Átomo = núcleo + electrones

Como hemos visto de modo elemental, podemos considerar que todo átomo está compuesto de un núcleo alrededor del cual giran electrones en forma similar a un microscópico sistema planetario. A su vez los núcleos están formados por protones y neutrones. Los protones tienen carga eléctrica positiva, los electrones carga negativa y los neutrones son partículas sin carga.

LAS FUERZAS NUCLEARES

El pegamento de los núcleos

Dado que las cargas eléctricas de signos opuestos se atraen y que las de signos iguales se repelen, una pregunta lógica es: ¿cómo pueden existir átomos con más de un protón en su núcleo? Debido a la repulsión electrostática

...