XI. LA FUSI�N FR�A ANTES DE 1989

HASTA la fecha el mayor esfuerzo para controlar la fusi�n nuclear se ha concentrado en el m�todo caliente. Como ya vimos, �sta no es la �nica l�nea de investigaci�n activa. Motivados por el alto costo de proyectos como el Tokamac, varios investigadores en diversas partes del mundo buscan otros m�todos. Para entender el trabajo de Fleischmann y Pons, y ponerlo en su perspectiva adecuada, es conveniente revisar algunos de tales m�todos.

En algunas circunstancias, los n�cleos pueden acelerarse de manera natural hasta alcanzar las energ�as necesarias para lograr la fusi�n. As�, en el Sol y en la vecindad de objetos c�smicos como los cuasares y los pulsares, los n�cleos se aceleran grandemente. Aunque es dif�cil sacar provecho pr�ctico de estas situaciones, es factible que en la Tierra puedan hallarse campos de fuerza igualmente enormes. En efecto, hace poco tiempo en un laboratorio de la Uni�n Sovi�tica se encontr� que la fractura de algunos s�lidos produce enormes potenciales el�ctricos que pueden comunicar grandes aceleraciones a los n�cleos de hidr�geno inmersos en el s�lido. Tal mecanismo, ahora denominado fracto-fusi�n, ha permitido inducir en forma intermitente la fusi�n de millones de n�cleos de deuterio en cada fractura. La fracto-fusi�n es todav�a una curiosidad acad�mica. Sin embargo, podr�a ser �til para explicar algunos aspectos del experimento de Fleischmann y Pons.

Otro mecanismo que podr�a inducir de manera natural la fusi�n de dos n�cleos ya lo mencionamos: se basa en el principio de incertidumbre de la mec�nica cu�ntica, parte de la f�sica que rige el comportamiento de mol�culas, �tomos y n�cleos. Si entre dos n�cleos que se repelen colocamos una carga negativa, la repulsi�n disminuye porque la carga de los n�cleos se ve apantallada. �ste es el mecanismo que mantiene unidos a los �tomos cuando forman las mol�culas, en las que los n�cleos se mantienen a distancias promedio del orden de 10^-8 cm. En particular; la incertidumbre en la separaci�n de los n�cleos implica que a veces puedan acercarse mucho y entonces fusionarse. Este mecanismo de fusi�n fr�a ocurre en condiciones normales con una probabilidad muy peque�a. De no ser as�, el deuterio en nuestro planeta no ser�a tan abundante, puesto que la fusi�n ya lo habr�a agotado al transformarlo en n�cleos m�s pesados. El c�lculo m�s optimista al respecto predice que habr�a que esperar 10³⁷ a�os para que los n�cleos de una de las 10²² mol�culas de deuterio en una muestra de 1 cm³ de agua pesada, como la utilizada por Fleischmann y Pons, se fundieran. Seg�n la cosmolog�a moderna, este tiempo es �10²⁷ veces mayor que la vida del Universo!

Otra posibilidad m�s de obtener la fusi�n fr�a, sugerida en 1947 por los f�sicos rusos A. Sakharov y F.C. Frank, es la llamada fusi�n catalizada por muones. La distancia promedio entre n�cleos a que hicimos referencia en el p�rrafo anterior disminuye si la masa de la carga intermediaria es mayor. En las mol�culas normales la carga intermediaria es un electr�n. Por tanto, una manera de acelerar el proceso de fusi�n fr�a consiste en sustituir uno de los electrones de la mol�cula de deuterio por un muon negativo m^-. Esta part�cula, aunque posee la misma carga que el electr�n y tiene muchas propiedades id�nticas a �l, es doscientas veces m�s masiva. En consecuencia, los n�cleos ligados por muones se acercan mucho y la probabilidad de que se fusionen aumenta considerablemente. As�, el tiempo que habr�a que esperar para que ocurriera una fusi�n en una muestra de 1 cm³ de agua pesada a cuyas mol�culas se les hubiera cambiado un electr�n por un muon, es en este caso peque��simo, tan s�lo 10^-31 segundos. El problema, sin embargo, consiste en obtener al mismo tiempo los 10²² muones necesarios.

Los muones son part�culas inestables cuya vida media, de 2.2 microsegundos, es comparable al tiempo que requiere el proceso de sustituci�n de electrones por muones en el hidr�geno. Peor a�n, su escasez implica que los muones que se utilizar�an en un posible reactor de este tipo deber�an ser producidos como residuo de reacciones nucleares a altas energ�as, con un costo energ�tico por muon mil veces superior a la energ�a que se obtendr�a de cada fusi�n.

La sugerencia de Sakharov y Frank permaneci� por eso al margen durante una d�cada hasta que, en 1956, el f�sico norteamericano Luis Alvarez descubri� accidentalmente la fusi�n en fr�o inducida por muones en una c�mara llena de hidr�geno y deuterio l�quidos. En el aparato, que se utilizaba para detectar part�culas producidas en reacciones nucleares, aparec�an de vez en cuando unos destellos inesperados. Un estudio m�s detallado llev� a concluir que se trataba de residuos de la fusi�n de n�cleos de hidr�geno con n�cleos de deuterio inducida por muones de origen c�smico. A�os despu�s, en 1968, al recibir el premio Nobel por otras investigaciones, Alvarez relat� su enorme excitaci�n al creer que hab�a descubierto la soluci�n ideal al problema energ�tico mundial. Sin embargo, al poco tiempo se convenci� de lo insignificante de la energ�a que se obtiene en este proceso debido a la reducida vida media de los muones y al escaso flujo de muones c�smicos.

Pensemos por un momento en una mezcla de hidr�geno y deuterio, como la analizada por Alvarez. Veamos la serie de procesos at�micos que constituye la fusi�n catalizada por muones. En promedio, los muones incidentes son capturados por un prot�n o por un deuter�n en una billon�sima de segundo. Una d�cima de microsegundo despu�s se forman mol�culas de hidr�geno-deuterio unidas por un muon. Tres microsegundos m�s tarde, los n�cleos de esas mol�culas se funden formando n�cleos de ³He y liberando 5.4 MeV de energ�a en cada fusi�n. Sin embargo, para entonces m�s de la mitad de los muones incidentes ya habr�n deca�do, pues ha transcurrido un tiempo mayor a su vida media. El 85% de los muones restantes se mantiene unido a los n�cleos de ³He, y s�lo resta un 15% para inducir una nueva fusi�n. Por ello, y buscando alguna manera de aumentar la eficiencia del proceso, Alvarez y otros investigadores realizaron experimentos con deuterio puro. Desgraciadamente, pronto encontraron que este cambio, por s� mismo, no aumenta la tasa de reacci�n.

Por todas estas dificultades la fusi�n catalizada por muones hab�a quedado en el olvido. El tema resurgi� gracias a las aportaciones de varios cient�ficos sovi�ticos. En 1966, V. P. Dzelepov demostr� que en determinadas condiciones los muones son capaces de producir m�s de una fusi�n antes de decaer; especialmente si se eleva la temperatura de la muestra de deuterio. Al a�o siguiente, el f�sico te�rico E.A. Vesman se percat� de que las dimensiones reducidas de una mol�cula de deuterio unida por un muon (Dm-D) permiten la captura de un nuevo n�cleo de deuterio, form�ndose as� una mol�cula triat�mica, como se ve en la figura 9, que est� tomada de un art�culo de Steven Jones, aparecido en 1986. En esta configuraci�n, los n�cleos se acercan y la tasa de fusiones aumenta. De existir; este fen�meno ocurrir�a principalmente a una cierta temperatura privilegiada. En 1977 otros f�sicos rusos, S.S. Gerhtein y L. I. Ponomarev, descubrieron que el fen�meno predicho por Vesman tambi�n deber�a presentarse en mezclas de deuterio y tritio. De ser as�, predijeron que a 260 grados cent�grados podr�a producirse un aumento espectacular (�por un factor de cien!) en la tasa de reacciones. Dos a�os m�s tarde, V. M. Bystritsky demostr� que las predicciones de Gerhtein y Ponomarev eran ciertas. Desgraciadamente, pocos meses despu�s el acelerador del laboratorio de Dubna con el que se produc�an los muones para realizar estas pruebas fue cerrado y esta l�nea de investigaci�n se vio interrumpida en consecuencia.

Figura 9. Formaci�n de la mol�cula triat�mica ligada por muones y constituida por dos n�cleos de deuterio y uno de tritio.

Los resultados sovi�ticos reci�n descritos motivaron al norteamericano Steven E. Jones a realizar una serie de estudios sobre este tema. Utilizando el acelerador LAMPF (Los Alamos Meson Physics Facility) en 1986 encontr� que en mezclas de deuterio y tritio comprimido hasta 3 000 atm�sferas, los tiempos de captura del muon se reducen tanto que cada m^- es capaz de catalizar hasta 150 fusiones antes de decaer. Una eficiencia tal significa ganancias de energ�a de 3 000 MeV por muon, es decir; casi treinta veces la masa del m^-. Puesto que en los aceleradores actuales se invierten 5 000 MeV por cada muon producido, existe s�lo un factor de dos entre gasto y producci�n de energ�a. Tomando en cuenta que un reactor rentable requiere un factor de ganancia de 20, vemos que aunque la meta se encuentra ahora m�s cercana todav�a no la alcanzamos.

Existe otra alternativa para conseguir la fusi�n fr�a. Consiste en aprovechar la propiedad que tienen algunos metales de absorber grandes cantidades de hidr�geno. En particular, el titanio, el paladio y el platino pueden contener hasta un �tomo de hidr�geno por cada uno de sus propios �tomos. Una densidad tan alta s�lo se podr�a lograr comprimiendo mucho el hidr�geno. Aunque luego se retractaron, en 1926 los cient�ficos alemanes E. Paneth y K. Peters fueron los primeros en sugerir este m�todo, el cual ya nos acerca m�s a los trabajos de Fleischmann y Pons, tema de nuestro libro. Antes de describirlos, s�lo nos falta hablar un poco de electroqu�mica y calorimetr�a.