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Ciencia

Otro punto de vista sobre la fusión atómica

Un experimento redefine el conocimiento referente a la interacción de los núcleos, de la cual resulta la energía del Sol

eduardo cesar Representación de una colisión atómica: no siempre hay fusióneduardo cesar

A menudo la naturaleza revela ser más compleja de lo que los físicos querrían, y los obliga a repensar los modelos creados para explicarla. Un experimento realizado en Bélgica, que contó con la participación de una investigadora brasileña, despeja una duda que inquietó a los físicos durante los últimos 20 años: si un tipo especial de núcleo atómico – con mayor cantidad de partículas neutras (neutrones), y casi el doble del tamaño normal – haría entre diez y cien veces más fácil la fusión nuclear. Cuando se produce dicho fenómeno, los núcleos de dos átomos se unen y originan otro más pesado, liberando elevadas cantidades de energía.

Este estudio, probablemente el más completo realizado hasta ahora, revela que al arrojar un núcleo exótico a altísima velocidad contra el núcleo de otro átomo no se eleva la probabilidad de que ambos se fundan con la colisión. Peor tampoco se reduce. Este súper topetazo atómico genera otra forma de interacción: el núcleo atómico común recibe de ese tipo de núcleo, denominado exótico, sus neutrones excedentes, que probablemente orbitaban a su alrededor formando una especie de nube, tal como informan los datos publicados el 14 de octubre en Nature.

“Este resultado no significa que hemos vuelto a foja cero, sino más bien lo contrario: hemos salido de allí”, afirma la física Alinka Lépine-Szily, de la Universidad de São Paulo (USP), coautora del estudio de Nature. “Los modelos teóricos que indicaban una probabilidad mayor de que ocurriera la fusión nuclear en estos casos han de revisarse, ahora con base en informaciones detalladas”. Y aquellos que no son enamorados de la hermosura de la física pueden incluso creer que este descubrimiento no pasa de un detalle. Pero no es así. La fusión nuclear es la fuente de energía de las estrellas, como el Sol.

En el interior de las estrellas, la fusión se produce porque la fuerza gravitacional ejerce una presión que aproxima a los núcleos unos a otros. Parte de la energía liberada escapa bajo la forma de radiación y hace posible la vida en la Tierra. También, la fusión de los núcleos atómicos de elementos químicos más livianos y sencillos – como el hidrógeno, formado apenas por una partícula de carga eléctrica positiva (un protón) – origina los núcleos de átomos mayores y más pesados, a ejemplo del helio, el litio y el carbono.

El interés por comprender y dominar la fusión nuclear surgió a comienzos del siglo pasado, casi 2.500 años después de que el filósofo griego Leucipo postulase que la materia estaba constituida por átomos. Al final de la década de 1930, con la Segunda Guerra Mundial a punto de estallar, el físico alemán Hans Bethe constató que la fusión de los núcleos de dos átomos de hidrógeno liberaba energía. En esa época de turbulencia política e inestabilidad económica, este fenómeno físico se transformó en una posible fuente de energía alternativa a la de los combustibles fósiles – en especial el carbón y el petróleo.

La comprensión acerca de cómo se comportan las partículas en el núcleo de los átomos daría también al ser humano un poder de destrucción jamás visto, con el uso de la fusión para la producción de poderosísimas armas nucleares, como la bomba de hidrógeno o bomba H. En tanto, las bombas atómicas como aquellas arrojadas sobre Japón, se fabrican con base en un fenómeno opuesto: la fisión nuclear, que es cuando se rompe un núcleo de átomos grandes que libera energía. En la bomba H, la unión de los núcleos de deuterio – una forma particular de hidrógeno cuyo núcleo contiene un protón y un neutrón – origina el elemento químico helio, en una transformación similar a la observada en el interior del Sol. Al combinarse, estos núcleos pierden menos del 1% de su masa, que se transforma en una verdadera montaña de energía, tal como prevé una de las más conocidas ecuaciones de la física desarrollada por Albert Einstein: E = mc². Esta fórmula indica que la energía (E) producida en una reacción nuclear corresponde a la masa (m) perdida multiplicada por la velocidad de la luz (c) elevada al cuadrado – de allí su elevado valor.

Pero no es tan sencillo repetir por estas tierras aquello que sucede en el corazón de las estrellas. En el centro de esos cuerpos celestes la presión gravitacional y las temperaturas son tan elevadas que núcleos atómicos diferentes se acercan a punto tal de lograr unirse, venciendo a la fuerza de repulsión. Es posible alcanzar de manera artificial temperaturas tan elevadas, pero el consumo de energía es tan grande que la fusión se vuelve prácticamente inviable desde el punto de vista económico – sólo para hacerse una idea: es necesario hacer explotar una bomba atómica para iniciar la fusión de los núcleos en la bomba H.

En 1985, el equipo del físico Isao Tanihata, del Centro de Física Nuclear de Japón, observó que los núcleos exóticos de litio, llamados Litio 11, que contienen ocho partículas neutras, eran más voluminosos de lo que se esperaba. El motivo de ello es que dos de sus cuatro neutrones excedentes no permanecen cohesionados en el núcleo, sino que forman una nube de neutrones – en la naturaleza, el núcleo del litio contiene únicamente cuatro neutrones, además de tres protones. En estos núcleos exóticos, que duran menos de un segundo una vez creados, algunas de estas partículas neutras permanecen más alejadas, formando una especie de nube o halo, tal como le dicen los físicos. Luego se imaginó que, al tener menor cohesión, los núcleos exóticos facilitasen la fusión. Asimismo, por tener una masa mayor, cabía suponer que la fuerza de atracción entre los núcleos pasase a actuar a distancias mayores y, de esta manera, compensase la fuerza que repele a las partículas de igual carga eléctrica positiva, en el caso de los protones de los núcleos atómicos.

La paradoja del helio 6
Un equipo internacional coordinado por Atsumasa Yoshida, de Japón, y Cosimo Signorini, de Italia, intentó comprobar la mayor probabilidad de la fusión de núcleos exóticos, en experimentos con Berilio 11 (con cuatro protones y siete neutrones), pero los resultados fueron negativos. Otro ensayo realizado por James Kolata, de la Universidad Notre Dame, Indiana, Estados Unidos, reveló lo contrario: la fusión nuclear ocurría más fácilmente con el helio 6. Con estos resultados, era imposible arribar a una conclusión. En un intento por quitarse las dudas, Jean Luc Sida, de la Comisión de Energía Atómica de Francia, reunió a un grupo internacional – formado por físicos belgas, franceses, italianos, poloneses y brasileños – para realizar un experimento más completo y un análisis más detallado que los anteriores.

Utilizando el acelerador de partículas del Centro de Investigación de Ciclotrón de Louvain-la-Neuve, los físicos lanzaron núcleos de helio 6 contra núcleos mucho mayores, de uranio 238 fue algo así como sacar con una pelotita de tenis a velocidades cercanas a la de la luz contra un balón de fútbol profesional. Si todo saliera bien y el helio 6 facilitase la fusión completa, habrían de surgir núcleos de un elemento químico aún mayor y más pesado: el plutonio 244, con 94 protones y 150 neutrones. Casi inmediatamente después de la fusión, el plutonio sufriría una fisión y se dividiría en otros dos elementos químicos, emitiendo radiación. Al mismo tiempo, tal como se verificó, habría emisión de partículas alfa, formadas por dos protones y dos neutrones, idénticos al núcleo de helio 4, características de las reacciones nucleares.

El análisis inicial de los datos, efectuado por Riccardo Raabe, primer autor del estudio de Nature, mostró que realmente el helio 6 había provocado un número mayor de fisiones que el helio 4. Pero esa era solo una parte de la información. Restaba aún verificar qué había pasado en el comienzo de ese proceso de transformaciones y disparado la fisión – a toda fusión nuclear les sigue una fisión, pero no toda fisión es provocada por la fusión de núcleos atómicos. Cuando el grupo participó Alinka evaluó el camino que las partículas alfa recorrían hasta llegar a los detectores y la energía con que allí llegaban, constató que éstas eran producto de la pérdida de dos neutrones del helio 6 – aquellos que formaban el halo – a manos del núcleo de uranio 238, que luego sufría la fisión. Estaba entonces claro: en buena parte de las colisiones, en lugar de la fisión se producía una transferencia de neutrones.

Pero, ¿y qué sucedió con el helio 6? Durante la transferencia, puede haberse roto y liberado así los dos neutrones, que fueron a parar al uranio, para continuar existiendo como helio 4. Alinka pretende ahora profundizar en la propia USP el estudio de esas reacciones que compiten con la fusión. A comienzos de este año empezó a funcionar en el Instituto de Física un equipo que integra el proyecto Ribras (sigla en inglés para haces de iones radioactivos) capaz de producir haces de núcleos exóticos (lea en Pesquisa FAPESP nº 99, de mayo de 2004). “Podremos hacer acá aquello que antes solamente era posible hacer en el exterior.”

El Proyecto
Estudio de los núcleos exóticos con haces radioactivos producidos en el laboratorio Pelletron-Linac
Modalidad
Proyecto Temático y Pronex
Coordinadora
Alinka Lépine-Szily – USP
Inversión
R$ 600.723, 48 (FAPESP y CNPq)

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