barrera de Coulomb, denominada a partir de la ley de Coulomb, nombrada así por el físico Charles-Augustin de Coulomb (1736–1806), es la barrera de energía debida a la interacción electrostática que el núcleo atómico debe superar para experimentar una reacción nuclear. Esta barrera de energía es proporcionada por la energía potencial electrostática:
donde:
- k es la constante de Coulomb = 8.9876×109 N m² C−2;
- ε0 es la permeabilidad en el vacío;
- q1, q2 son las cargas de las partículas que interactúan;
- r es el radio de interacción.
Un valor positivo de U es debido a una fuerza de repulsión, así que las partículas que interactúan están a mayores niveles de energía cuando se acercan. Un valor negativo de la energía potencial U indica un estado de ligadura, debido a una fuerza atractiva.
La barrera de Coulomb aumenta con el número atómico, o sea, con el número de protones del núcleo en colisión:
donde e es la carga elemental, 1.602 176 53×10−19 C, y Zi los correspondientes números atómicos.
Para superar esta barrera, el núcleo tiene que colisionar a altas velocidades, para que las energías cinéticas permitan que opere la interacción nuclear fuerte y una las partículas.
Según la teoría cinética de los gases, la temperatura de un gas es solo una medida de la velocidad media de las partículas en ese gas. Para gases habituales, la distribución de Maxwell-Boltzmann proporciona la fracción de partículas que se mueven a una determinada velocidad como función de la temperatura, y así podemos obtener la fracción de partículas que se mueven a velocidades suficientemente altas para superar la barrera de Coulomb.
En la práctica, las temperaturas necesarias para superar la barrera de Coulomb resultan ser menores de las esperadas debido al efecto túnel cuántico, como fue establecido porGamow. La consideración de barrera-penetración mediante el efecto túnel y la distribución de velocidades dan lugar a un número limitado de condiciones en las que la fusión puede llevarse a cabo, conocido como ventana de Gamow.
Barrera de Coulomb en la Fusión
Con el fin de lograr la fusión nuclear, las partículas involucradas deben superar primero la repulsión eléctrica, con objeto de acercarse lo suficiente, para que la atractiva fuerza nuclear fuerte se haga cargo de fundir las partículas. Esto requiere temperaturas extremadamente altas, si solamente esta se considera en el proceso. En el caso del ciclo del protón en las estrellas, esta barrera es penetrada por el efecto túnel, permitiendo que el proceso se ejecute a temperaturas más bajas que la que se requeriría a las presiones alcanzables en el laboratorio.
Considerando que la barrera fuera energía potencial eléctrica de dos cargas puntuales (por ejemplo, protones), la energía necesaria para lograr una separación r está dada por
 | donde k = constante de Coulomb, y e, la carga del electrón. |
Dado el radio r en el que la fuerza de atracción nuclear se hace dominante, se puede calcular la temperatura necesaria para aumentar la energía térmicapromedio, a ese punto.
La posibilidad de emplear haces de núcleos estables con elevada intensidad en medidas de larga duración, aportará avances muy significativos en el campo de los mecanismos de reacción en colisiones a energías próximas a la barrera de Coulomb. Las reacciones de transferencia entre núcleos pesados a energías próximas a la barrera de Coulomb proporcionan una información muy precisa para estudios tanto en lo estructura como en dinámica nuclear [1,2].
A partir de los estudios experimentales de reacciones de 'stripping' y de 'pick-up' de neutrones y de protones, es posible deducir información acerca de la estructura de capas en la zona próxima a la superficie de Fermi de los núcleos colisionantes (ver Refs. [3, 4] para el caso de transferencia de un nucleón). También es posible estudiar las correlaciones nucleares en el medio nuclear (reacciones de transferencia de más de un nucleón, [5, 6, 7]).
La influencia de los diferentes canales de reacción en procesos de fusión a energías sub culombianas es bien conocida en la literatura. En términos generales, el impacto de la estructura nuclear sobre los procesos de fusión se espera que sean de gran importancia para núcleos con números atómicos grandes.
Las propiedades relativas a estructura nuclear como las vibraciones de la superficie nuclear o las rotaciones nucleares [8, 9], los canales de transferencia de nucleones y la ruptura, pueden afectar significativamente el comportamiento de las funciones de excitación de fusión [10, 11, 12]. Estos efectos se ven reflejados en el apreciable aumento de las funciones de excitación de fusión y la influencia sobre éstas del isótopo en cuestión.
Recientemente, al contrario de lo esperado, se ha observado una pronunciada supresión del canal de fusión a energías bien por debajo de la barrera de Coulomb, en comparación con las predicciones que se obtienen mediante cálculos de canales acoplados. Este hecho se ha observado en sistemas como 58Ni+58Ni, 64Ni+64Ni, 60Ni+89Y [13], y se puede caracterizar estudiando el máximo del factor S para la función de excitación de fusión.
confinamiento inercial consiste en conseguir las condiciones necesarias para que se produzca la fusión nuclear dotando a las partículas del combustible de la cantidad de movimiento necesaria para que con el choque de las mismas se venza labarrera culombiana y así se pueda producir la reacción nuclear de fusión.- .............................................:http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Especial:Libro&bookcmd=download&collection_id=f557615a4e46303b8af377c716fd08cac03d6588&writer=rdf2latex&return_to=Confinamiento+inercial
Esquema de un TOKAMAK ,
el plasma actúa como secundario de un transformador
Se ha conseguido, utilizando solamente deuterio para evitar que se produzcan muchas reacciones de fusión y el tokamak se vuelva radioactivo, producir condiciones tales en el plasma que, de repetirse con una mezcla de deuterio-tritio, permitirían generar tanta energía por fusión como la utilizada para producir y calentar el plasma. Esto se conoce como condición de "break-even". Por otro lado, en las limitadas experiencias con deuterio-tritio realizadas en el Joint European Torus (JET), un tokamak de la Comunidad Europea, se ha conseguido producir 16 MegaWatts de potencia de fusión, lo que representa un 66% (dos tercios) de la potencia necesaria para mantener caliente el plasma.
El próximo paso consiste en demostrar la posibilidad de producir reacciones de fusión autosostenidas. Esto se conoce como ignición y significa que la energía depositada por las partículas alfa es suficiente para mantener caliente el plasma y no se necesitan fuentes de calentamiento externas. Para esto es necesario que la energía total producida por fusión sea unas cinco veces mayor que la necesaria para calentar el plasma.
Recientemente, un equipo internacional en el que participaron científicos de E.E.U.U., Rusia, Japón y la Comunidad Europea, diseñaron un tokamak (ITER: International Thermonuclear Experimental Reactor) que podría alcanzar la ignición. Debido al alto costo del proyecto, unos 10.000 millones de dólares, los países participantes decidieron no seguir adelante con su construcción y actualmente se trabaja en el diseño de un tokamak menos costoso.
En el método de confinamiento inercial se irradia una pequeña pastilla de combustible con haces de radiación láser o haces de partículas de muy alta energía. Esto hace que la capa externa de la pastilla se evapore y expanda rápidamente comprimiendo el resto del combustible (acción y reacción). Al ser comprimida y calentada, cada pastilla se transforma en una pequeña bomba termonuclear (de hidrógeno). Debido a esto, y al interés militar de los láseres de muy alta potencia, el acceso a la información existente en esta línea de trabajo se encuentra más restringido.
En esta línea de confinamiento, los mejores resultados han sido alcanzados utilizando láseres, pero se continúa trabajando en el desarrollo de haces de partículas de alta energía y en nuevos láseres para mejorar la eficiencia del proceso. Debido a la baja eficiencia de los láseres y haces de partículas, es necesario que además de llegar a la ignición se obtengan altas ganancias (aprox. 100 para láseres y 30 para haces de partículas). La "ganancia" mide cuántas veces se multiplica la energía entregada por el láser (o haz) a la pastilla de combustible y debe ser grande porque la energía realmente entregada a la pastilla es una fracción muy chica de la energía empleada para hacer funcionar el láser (o haz). Actualmente los EEUU están trabajando en un proyecto conocido como NIF (National Ignition Facility) donde se esperan alcanzar las condiciones de ignición y ganancias pequeñas.
EL CONFINAMIENTO INERCIAL Y SUS PERSPECTIVAS
LA ALTERNATIVA al confinamiento magnético para conseguir la fusión termonuclear controlada es el confinamiento inercial, que como ya se explicó, se basa en la generación rápida de energía antes de que el plasma encendido tenga tiempo de expanderse. Esta manera de producir la fusión es conceptualmente la más sencilla. Inicialmente se tiene una pelotilla de combustible a baja temperatura y se calienta rápidamente desde la superficie, creando como resultado un plasma que se comprime hasta alcanzar densidades muy elevadas y temperaturas termonucleares. Esto da lugar a una miniexplosión nuclear en el centro y el calor generado se propaga hacia el exterior, calentando el plasma que encuentra y encendiéndolo. Todo esto tiene que ocurrir antes de que el plasma comprimido se expanda y se enfríe, lo que sucede en 10 nanosegundos (10-8 s). Si durante este tiempo se logra producir más energía que la invertida en comprimir y calentar la pelotilla, el resultado del experimento es favorable. Para medir el desempeño se define la ganancia de energía, de manera análoga a como se hizo al final del capítulo II, como el cociente Q = (energía de fusión producida) / (energía del haz incidente); y lo que mínimamente se requiere es Q> 1.
Para calentar las pelotillas se utiliza un impulsor capaz de transferir a nuestro blanco (la pelotilla) cantidades muy grandes de energía en tiempos sumamente cortos. El impulsor consiste en un conjunto de haces (de láser o de partículas energéticas) distribuidos uniformemente alrededor de la pelotilla, que producen una irradiación esféricamente simétrica. Los haces deben ser capaces de concentrar la energía en regiones muy pequeñas, ya que los diámetros de las pelotillas son de unos cuantos milímetros. El calentamiento por los haces se concentra en la superficie del blanco, así que el material en esta zona se separa formando una corona de plasma en donde se generan electrones energéticos y radiación. Los haces deben poder atravesar la corona para seguir calentando más adentro, pero sólo podrán penetrar hasta cierta distancia debido a los efectos de la absorción. Más allá de esta distancia, el calentamiento puede continuar a través de la energía transportada por los electrones y la radiación, generados en la corona. A medida que se calienta, el material se va evaporando por un proceso de ablación, pero en respuesta a la evaporación, que es hacia afuera, hay una reacción del material interno, de moverse hacia adentro. Es el mismo principio de impulsión de un cohete, que avanza al expulsar un chorro de gases por detrás. Como las energías que intervienen son muy grandes, el movimiento hacia adentro es muy violento, produciéndose una implosión (lo contrario de una explosión), que comprime y calienta el combustible del interior hasta los valores necesarios para encender al plasma. En esta etapa es cuando comienza el confinamiento inercial.
Por lo regular, el combustible deuterio-tritio se congela para formar pelotillas sólidas, aunque también se usan combinaciones de un cascarón sólido con gas o líquido en el interior, para aumentar la ganancia Q. Más adelante describiremos la composición de los blancos. En estado sólido, la densidad del combustible es 4.5 x 10 22 partículas/ cm³. Para obtener valores de Q suficientemente altos, la compresión debe aumentar la densidad en un factor de mil, así que n será del orden de 10 25 a 10 26 partículas/ cm ³ mientras que la temperatura debe ser de 5 a 10 keV. Para obtener esta compresión, la energía requerida es mucho menor que la que se necesitaría para calentar todo el blanco hasta la temperatura de encendido. En el caso del confinamiento inercial el criterio de Lawson es un poco más exigente; no basta que el parámetro n·tE para las reacciones D-T sea mayor que 10 14 s/ cm³. Esto se debe a que las eficiencias de conversión de energía eléctrica a energía de los haces, y la de absorción de energía por el blanco son bastante menores que 1/3, que es la que se usa para obtener el valor anterior. Además, en lugar del parámetro de Lawson, en el confinamiento inercial es más común utilizar el parámetro r.R, donde p es la densidad de masa del combustible (r= n·m, m = masa de una partícula) y R el radio del combustible al final de la compresión. El cambio de parámetro se hace porque el tiempo de confinamiento inercial es una cantidad bien establecida, tI = R/ vs, que depende sólo de R y la temperatura (a través de la velocidad del sonido vs), y resulta ser más práctico usar R. El equivalente al criterio de Lawson en este caso es r.R> 3 g/ cm². Los valores requeridos de n y T se han conseguido por separado en experimentos con impulsores láser, pero el valor de rºR todavía no se logra.
El núcleo de la pelotilla es encendido por un frente de choque esférico, y en ese momento las partículas a producidas por la fusión aumentan la temperatura del combustible venciendo las pérdidas de energía debidas a la radiación, la conducción térmica y la expansión. Si la densidad es suficientemente alta, la energía de las partículas a queda atrapada en el combustible que rodea al núcleo, y lo calienta hasta encenderse también. Así va avanzando la región de encendido, como una onda de quemado moviéndose hacia afuera a través del combustible, hasta que la expansión disminuye la densidad y se apaga. En este momento termina el confinamiento. La existencia de la onda de quemado es esencial para tener ganancias Q grandes, ya que el radio del núcleo, donde inicialmente se tiene el encendido, es aproximadamente 0.1 R así que comprende una cantidad pequeña de combustible. En la figura 30 se muestran esquemáticamente las etapas de evolución de una pelotilla de fusión.
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