XI. LA FUSIÓN FRÍA ANTES DE 1989

HASTA la fecha el mayor esfuerzo para controlar la fusión nuclear se ha concentrado en el método caliente. Como ya vimos, ésta no es la única línea de investigación activa. Motivados por el alto costo de proyectos como el Tokamac, varios investigadores en diversas partes del mundo buscan otros métodos. Para entender el trabajo de Fleischmann y Pons, y ponerlo en su perspectiva adecuada, es conveniente revisar algunos de tales métodos.

En algunas circunstancias, los núcleos pueden acelerarse de manera natural hasta alcanzar las energías necesarias para lograr la fusión. Así, en el Sol y en la vecindad de objetos cósmicos como los cuasares y los pulsares, los núcleos se aceleran grandemente. Aunque es difícil sacar provecho práctico 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 Unión Soviética se encontró que la fractura de algunos sólidos produce enormes potenciales eléctricos que pueden comunicar grandes aceleraciones a los núcleos de hidrógeno inmersos en el sólido. Tal mecanismo, ahora denominado fracto-fusión, ha permitido inducir en forma intermitente la fusión de millones de núcleos de deuterio en cada fractura. La fracto-fusión es todavía una curiosidad académica. Sin embargo, podría ser útil para explicar algunos aspectos del experimento de Fleischmann y Pons.

Otro mecanismo que podría inducir de manera natural la fusión de dos núcleos ya lo mencionamos: se basa en el principio de incertidumbre de la mecánica cuántica, parte de la física que rige el comportamiento de moléculas, átomos y núcleos. Si entre dos núcleos que se repelen colocamos una carga negativa, la repulsión disminuye porque la carga de los núcleos se ve apantallada. Éste es el mecanismo que mantiene unidos a los átomos cuando forman las moléculas, en las que los núcleos se mantienen a distancias promedio del orden de 10-8 cm. En particular; la incertidumbre en la separación de los núcleos implica que a veces puedan acercarse mucho y entonces fusionarse. Este mecanismo de fusión fría ocurre en condiciones normales con una probabilidad muy pequeña. De no ser así, el deuterio en nuestro planeta no sería tan abundante, puesto que la fusión ya lo habría agotado al transformarlo en núcleos más pesados. El cálculo más optimista al respecto predice que habría que esperar 1037 años para que los núcleos de una de las 1022 moléculas de deuterio en una muestra de 1 cm³ de agua pesada, como la utilizada por Fleischmann y Pons, se fundieran. Según la cosmología moderna, este tiempo es ¡1027 veces mayor que la vida del Universo!

Otra posibilidad más de obtener la fusión fría, sugerida en 1947 por los físicos rusos A. Sakharov y F.C. Frank, es la llamada fusión catalizada por muones. La distancia promedio entre núcleos a que hicimos referencia en el párrafo anterior disminuye si la masa de la carga intermediaria es mayor. En las moléculas normales la carga intermediaria es un electrón. Por tanto, una manera de acelerar el proceso de fusión fría consiste en sustituir uno de los electrones de la molécula de deuterio por un muon negativo m-. Esta partícula, aunque posee la misma carga que el electrón y tiene muchas propiedades idénticas a él, es doscientas veces más masiva. En consecuencia, los núcleos ligados por muones se acercan mucho y la probabilidad de que se fusionen aumenta considerablemente. Así, el tiempo que habría que esperar para que ocurriera una fusión en una muestra de 1 cm³ de agua pesada a cuyas moléculas se les hubiera cambiado un electrón por un muon, es en este caso pequeñísimo, tan sólo 10-31 segundos. El problema, sin embargo, consiste en obtener al mismo tiempo los 1022 muones necesarios.

Los muones son partículas inestables cuya vida media, de 2.2 microsegundos, es comparable al tiempo que requiere el proceso de sustitución de electrones por muones en el hidrógeno. Peor aún, su escasez implica que los muones que se utilizarían en un posible reactor de este tipo deberían ser producidos como residuo de reacciones nucleares a altas energías, con un costo energético por muon mil veces superior a la energía que se obtendría de cada fusión.

La sugerencia de Sakharov y Frank permaneció por eso al margen durante una década hasta que, en 1956, el físico norteamericano Luis Alvarez descubrió accidentalmente la fusión en frío inducida por muones en una cámara llena de hidrógeno y deuterio líquidos. En el aparato, que se utilizaba para detectar partículas producidas en reacciones nucleares, aparecían de vez en cuando unos destellos inesperados. Un estudio más detallado llevó a concluir que se trataba de residuos de la fusión de núcleos de hidrógeno con núcleos de deuterio inducida por muones de origen cósmico. Años después, en 1968, al recibir el premio Nobel por otras investigaciones, Alvarez relató su enorme excitación al creer que había descubierto la solución ideal al problema energético mundial. Sin embargo, al poco tiempo se convenció de lo insignificante de la energía que se obtiene en este proceso debido a la reducida vida media de los muones y al escaso flujo de muones cósmicos.

Pensemos por un momento en una mezcla de hidrógeno y deuterio, como la analizada por Alvarez. Veamos la serie de procesos atómicos que constituye la fusión catalizada por muones. En promedio, los muones incidentes son capturados por un protón o por un deuterón en una billonésima de segundo. Una décima de microsegundo después se forman moléculas de hidrógeno-deuterio unidas por un muon. Tres microsegundos más tarde, los núcleos de esas moléculas se funden formando núcleos de ³He y liberando 5.4 MeV de energía en cada fusión. Sin embargo, para entonces más de la mitad de los muones incidentes ya habrán decaído, pues ha transcurrido un tiempo mayor a su vida media. El 85% de los muones restantes se mantiene unido a los núcleos de ³He, y sólo resta un 15% para inducir una nueva fusión. 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 sí mismo, no aumenta la tasa de reacción.

Por todas estas dificultades la fusión catalizada por muones había quedado en el olvido. El tema resurgió gracias a las aportaciones de varios científicos soviéticos. En 1966, V. P. Dzelepov demostró que en determinadas condiciones los muones son capaces de producir más de una fusión antes de decaer; especialmente si se eleva la temperatura de la muestra de deuterio. Al año siguiente, el físico teórico E.A. Vesman se percató de que las dimensiones reducidas de una molécula de deuterio unida por un muon (Dm-D) permiten la captura de un nuevo núcleo de deuterio, formándose así una molécula triatómica, como se ve en la figura 9, que está tomada de un artículo de Steven Jones, aparecido en 1986. En esta configuración, los núcleos se acercan y la tasa de fusiones aumenta. De existir; este fenómeno ocurriría principalmente a una cierta temperatura privilegiada. En 1977 otros físicos rusos, S.S. Gerhtein y L. I. Ponomarev, descubrieron que el fenómeno predicho por Vesman también debería presentarse en mezclas de deuterio y tritio. De ser así, predijeron que a 260 grados centígrados podría producirse un aumento espectacular (¡por un factor de cien!) en la tasa de reacciones. Dos años más tarde, V. M. Bystritsky demostró que las predicciones de Gerhtein y Ponomarev eran ciertas. Desgraciadamente, pocos meses después el acelerador del laboratorio de Dubna con el que se producían los muones para realizar estas pruebas fue cerrado y esta línea de investigación se vio interrumpida en consecuencia.

Figura 9. Formación de la molécula triatómica ligada por muones y constituida por dos núcleos de deuterio y uno de tritio.

Los resultados soviéticos recién 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 encontró que en mezclas de deuterio y tritio comprimido hasta 3 000 atmósferas, 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 energía 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 sólo un factor de dos entre gasto y producción de energía. Tomando en cuenta que un reactor rentable requiere un factor de ganancia de 20, vemos que aunque la meta se encuentra ahora más cercana todavía no la alcanzamos.

Existe otra alternativa para conseguir la fusión fría. Consiste en aprovechar la propiedad que tienen algunos metales de absorber grandes cantidades de hidrógeno. En particular, el titanio, el paladio y el platino pueden contener hasta un átomo de hidrógeno por cada uno de sus propios átomos. Una densidad tan alta sólo se podría lograr comprimiendo mucho el hidrógeno. Aunque luego se retractaron, en 1926 los científicos alemanes E. Paneth y K. Peters fueron los primeros en sugerir este método, el cual ya nos acerca más a los trabajos de Fleischmann y Pons, tema de nuestro libro. Antes de describirlos, sólo nos falta hablar un poco de electroquímica y calorimetría.

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