¿Por qué se necesita tanta energía para la fusión nuclear?

La fusión nuclear

La fusión nuclear es uno de los procesos más energéticos del universo, desempeñando un papel central en la producción de energía en el núcleo de las estrellas. Así, la fusión de los núcleos atómicos, es decir, su unión para formar un núcleo más pesado, requiere enormes cantidades de energía para superar ciertas fuerzas fundamentales que actúan a escalas microscópicas. ¿Cuáles son estas fuerzas que deben ser superadas para fusionar núcleos atómicos?

La fuerza nuclear fuerte

La fuerza nuclear fuerte es la más poderosa de las cuatro fuerzas fundamentales. El alcance de la interacción fuerte es de aproximadamente 10^-15 metros, que es el tamaño de un nucleón (alrededor de 1 femtómetro). Esta fuerza es extremadamente poderosa a corta distancia y es responsable de la cohesión de los nucleones dentro del núcleo. Es atractiva y supera la repulsión electrostática entre protones cuando están muy cerca unos de otros. Sin esta fuerza, los protones, que se repelen mutuamente debido a su carga positiva, no podrían permanecer juntos en el núcleo. Sin embargo, esta fuerza prácticamente no actúa más allá de unos pocos femtómetros.

Así, para unir dos protones, es necesario acercarlos extremadamente unos a otros. Una vez que los protones están lo suficientemente cerca (a una distancia de aproximadamente 1 femtómetro), la fuerza nuclear fuerte entra en juego. Esta fuerza es atractiva y actúa para mantener unidos a los nucleones (protones y neutrones) en el núcleo.

N.B.:
La interacción fuerte es igual a 1 (esta es la fuerza de referencia). Su constante de acoplamiento es aproximadamente cien veces mayor que la de la interacción electromagnética, un millón de veces mayor que la de la interacción débil y 10^38 veces mayor que la de la gravedad.

La fuerza de Coulomb

La fuerza de Coulomb es una fuerza fundamental de la naturaleza que describe la interacción entre cargas eléctricas (electrones, protones, iones, etc.). Solo se aplica a objetos que tienen cargas eléctricas, ya sean positivas o negativas. Es uno de los pilares del electromagnetismo.

Entre los protones, la fuerza electrostática repulsiva es omnipresente debido a sus cargas positivas. Esta fuerza actúa a mayores distancias (bien más allá de los pocos femtómetros de la fuerza nuclear fuerte) y crea lo que se llama la barreira de Coulomb. Esta barrera es el principal obstáculo energético que impide que los núcleos cargados se fusionen a baja energía. Es igual a 10^−2 (en relación a la fuerza nuclear fuerte).

Así, cuando dos núcleos atómicos se acercan, su energía potencial de interacción aumenta con la repulsión coulombiana, y luego pasa por un máximo que debe ser superado para lograr la fusión nuclear.

En resumen

Los protones, que tienen carga positiva, ejercen una fuerza de repulsión electrostática entre ellos, conocida como la fuerza de Coulomb. Para que ocurra una fusión, se debe superar esta fuerza de repulsión electrostática.

La fuerza nuclear fuerte actúa a muy corta distancia, generalmente del orden de 1 femtómetro. Por lo tanto, los núcleos deben estar muy cerca para que esta fuerza pueda actuar. Esto requiere una cantidad considerable de energía para acercar los núcleos lo suficiente como para que la fuerza nuclear fuerte pueda hacerse cargo y permitir la fusión.

Para vencer estas dos fuerzas, la fusión nuclear requiere velocidades muy altas, y por lo tanto temperaturas extremadamente altas, para proporcionar la energía cinética necesaria. Estas condiciones se encuentran en el núcleo de las estrellas, donde se alcanzan temperaturas de varios decenas de millones de grados Celsius debido a las enormes presiones en el corazón de estas estrellas. A temperaturas tan altas, la materia se encuentra en un estado de plasma, donde los electrones están separados de los núcleos, permitiendo una mayor libertad de movimiento para los núcleos mismos.