Descripción de la imagen: La fusión nuclear es el proceso mediante el cual los núcleos ligeros se combinan para formar un núcleo más pesado, como la fusión de átomos de hidrógeno para formar átomos de helio. La fusión de dos átomos de deuterio (2H) en un átomo de helio libera aproximadamente 24.7 MeV de energía, o 3.952×10^-12 J, o aproximadamente 1 vatio durante 4 picosegundos. Fuente de la imagen Análisis de GAO.
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 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 vencerse para fusionar núcleos atómicos?
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, es decir, el tamaño de un nucleón (aproximadamente 1 femtómetro). Esta fuerza es extremadamente poderosa a corta distancia y es responsable de la cohesión de los nucleones en el núcleo. Es atractiva y supera la repulsión electrostática entre protones cuando estos están muy cerca unos de otros. Sin esta fuerza, los protones, que se repelen entre sí debido a su carga positiva, no podrían permanecer juntos en el núcleo. Sin embargo, esta fuerza apenas actúa más allá de unos pocos femtómetros.
Por lo tanto, para unir dos protones, deben acercarse extremadamente entre sí. 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 los nucleones (protones y neutrones) en el núcleo.
N.B.: La interacción fuerte es igual a 1 (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 gravitación.
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 llevan 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 sobre distancias más grandes (bien más allá de los pocos femtómetros de la fuerza nuclear fuerte) y crea lo que se conoce como la barrera 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 con la fuerza nuclear fuerte).
Así, cuando dos núcleos atómicos se acercan, su energía potencial de interacción aumenta con la repulsión de Coulomb, luego pasa por un máximo que debe superarse para llegar a la fusión nuclear.
Los protones, que están cargados positivamente, ejercen una fuerza de repulsión electrostática entre sí, conocida como fuerza de Coulomb. Para que ocurra la fusión, debe superarse esta fuerza de repulsión electrostática.
La fuerza nuclear fuerte actúa a distancias muy cortas, generalmente del orden de 1 femtómetro. Los núcleos deben estar muy cerca para que esta fuerza pueda actuar. Esto requiere una energía considerable para acercar los núcleos lo suficiente como para que la fuerza nuclear fuerte pueda intervenir 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 varias decenas de millones de grados Celsius debido a las enormes presiones en el núcleo 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 propios núcleos.