Fisión frente a fusión: la química de la energía nuclear

En diciembre de 1938, dos químicos alemanes, Otto Hahn y Fritz Strassmann, hicieron algo que no tenía sentido. Habían estado bombardeando uranio con neutrones, esperando empujarlo hacia elementos un poco más pesados. En cambio, su cuidadoso análisis químico no dejaba de arrojar bario, un elemento con algo más de la mitad de la masa del uranio. Era como si hubieras golpeado una bola de boliche y la hubieras visto partirse en dos pelotas de tenis. Hahn escribió a su antigua colega Lise Meitner, para entonces refugiada en Suecia, preguntándole cómo podía ser posible aquello. Meitner, resolviendo el problema durante un paseo invernal con su sobrino Otto Frisch, comprendió que el núcleo de uranio se había roto en dos.

Frisch tomó prestada una palabra de la biología, donde una sola célula se divide en dos: fisión. Con esa única observación, la química de la tabla periódica chocó con la física del núcleo atómico, y se puso en marcha el mundo moderno de los reactores, las bombas y el viejo sueño de una energía de fusión limpia. Para entenderlo todo, solo necesitas una idea extraña y hermosa: que la masa de un átomo no es exactamente la suma de sus partes.

La masa que desaparece

Todo núcleo atómico es un cúmulo de protones y neutrones, mantenidos unidos frente a la feroz repulsión eléctrica de todos esos protones positivos por algo llamado fuerza nuclear fuerte. Mantenerlos unidos cuesta energía, o más bien, la libera. Aquí viene la parte contraintuitiva: un núcleo ligado pesa un poco menos de lo que pesarían por separado los protones y neutrones que lo componen. Esa masa que falta es el famoso "defecto de masa".

La ecuación de Albert Einstein E = mc al cuadrado nos dice qué le ocurrió. La masa y la energía son dos monedas para una misma cosa, y el tipo de cambio, c al cuadrado, es enorme porque la velocidad de la luz es muy grande. Cantidades minúsculas de masa desaparecida se convierten en cantidades inmensas de energía. La energía encerrada en este intercambio es la energía de enlace, el pegamento que mantiene unido al núcleo. Cuando reorganizas los núcleos de un modo que les permite desprenderse de un poco más de masa, ese excedente de energía sale a raudales.

Este es el corazón de toda la energía nuclear, y es también la razón por la que las reacciones nucleares liberan millones de veces más energía por átomo que las reacciones químicas como quemar carbón. Las reacciones químicas reorganizan los electrones en los suburbios exteriores del átomo; las reacciones nucleares reorganizan el núcleo denso y rico en energía que hay en su centro.

La curva que lo explica todo

Si representas la energía de enlace por partícula frente al tamaño del núcleo, obtienes uno de los gráficos más importantes de toda la ciencia. Sube de forma abrupta para los elementos más ligeros, alcanza su máximo en torno al hierro y el níquel (aproximadamente el elemento 26), y luego desciende suavemente hacia los elementos más pesados, como el uranio.

El pico es la clave. El hierro-56 se sitúa cerca del punto más estable, el fondo de un valle de energía hacia el que todo núcleo "querría" rodar. Esta única curva explica las dos formas de extraer energía nuclear.

Cuesta abajo desde el lado pesado: divide un núcleo muy pesado como el uranio en dos piezas de tamaño medio, y los fragmentos quedan más cerca del pico del hierro, más fuertemente ligados, más ligeros en total. La masa perdida se convierte en energía. Eso es la fisión.

Cuesta abajo desde el lado ligero: fusiona dos núcleos muy ligeros como el hidrógeno en uno más pesado y más cercano al pico, y de nuevo el producto queda más fuertemente ligado, y de nuevo la masa se convierte en energía. Eso es la fusión.

Ambos procesos ascienden hacia la misma cima desde laderas opuestas. Cualquier cosa más allá del hierro no tiene más energía que dar por ninguna de las dos vías, razón por la cual el hierro es, en un sentido real, ceniza nuclear.

Fisión: partir a los pesos pesados

La fisión es el truco más fácil de lograr, por lo que llegó primero. Ciertos isótopos pesados, sobre todo el uranio-235 y el plutonio-239, son "fisibles". Cuando un neutrón lento golpea un núcleo de uranio-235, el núcleo se vuelve brevemente inestable, tiembla como una gota de agua estirada y se parte en dos núcleos más ligeros (como el bario y el kriptón), además de un estallido de energía y, lo crucial, dos o tres neutrones más.

Esos neutrones adicionales lo son todo. Cada uno puede golpear otro núcleo de uranio y desencadenar otra división, que libera más neutrones, y así sucesivamente. Esta es la reacción en cadena, y que transcurra con suavidad o con violencia es toda la diferencia entre una central eléctrica y una bomba.

El uranio natural es en más de un 99 por ciento uranio-238, que no sostiene bien una reacción en cadena, y menos de un 1 por ciento del fisible uranio-235. Para usarlo, los ingenieros "enriquecen" el uranio, elevando la fracción de uranio-235. El combustible de los reactores suele enriquecerse hasta alrededor de un 3 a 5 por ciento de uranio-235, lo suficiente para una combustión lenta y controlada. El contenido fisible necesario para un arma es muchísimo mayor, lo cual es una de las razones por las que el enriquecimiento se vigila tan estrechamente a nivel internacional.

Bombas frente a centrales eléctricas

Una bomba de fisión y un reactor de fisión comparten la misma física, pero tienen objetivos opuestos. Una bomba quiere que la reacción en cadena se desboque lo más rápido posible; un reactor quiere mantenerla en el filo de una navaja, liberando calor constante sin acelerarse nunca fuera de control.

La bomba: un arma reúne una "masa crítica" de uranio-235 o plutonio-239 altamente enriquecido de manera tan súbita y compacta que la reacción en cadena se multiplica astronómicamente en una fracción de segundo, antes de que el material pueda hacerse pedazos a sí mismo. La bomba lanzada sobre Hiroshima en agosto de 1945 usó uranio-235; la lanzada sobre Nagasaki tres días después usó plutonio-239. Siguen siendo las dos únicas armas nucleares empleadas jamás en una guerra, y la magnitud de la catástrofe humana que causaron, decenas de miles de personas muertas al instante y muchas más que murieron después por las heridas y la radiación, es precisamente por lo que la tecnología ha sido tratada con tanta gravedad desde entonces.

La central eléctrica: un reactor usa combustible de bajo enriquecimiento que físicamente no puede explotar como una bomba. Dos salvaguardas lo mantienen dócil. Las barras de control, hechas de materiales absorbentes de neutrones como el boro o el cadmio, se deslizan dentro del núcleo para absorber los neutrones sobrantes y frenar la reacción. Un moderador, normalmente agua corriente, ralentiza los neutrones rápidos hasta las velocidades suaves que el uranio-235 absorbe con mayor facilidad. El calor hierve el agua y la convierte en vapor, el vapor hace girar una turbina y la turbina acciona un generador. Si le quitas el exótico núcleo, una central nuclear no es más que una forma muy sofisticada de hervir agua.

El gran inconveniente de la fisión son sus residuos. Los fragmentos de la división son ellos mismos radiactivos, algunos de ellos peligrosamente durante miles de años, razón por la cual el almacenamiento a largo plazo sigue siendo un reto genuino y aún en gran medida sin resolver.

Fusión: el poder de las estrellas

La fusión recorre la curva en la otra dirección, y la naturaleza lo ha estado haciendo a escala colosal durante miles de millones de años. El Sol es un reactor de fusión. En su núcleo, los núcleos de hidrógeno se fusionan paso a paso en helio, y la masa perdida en el proceso es lo que hace brillar al Sol. El calor de nuestro planeta, su clima y casi toda su vida se alimentan en última instancia de la fusión que ocurre a 150 millones de kilómetros de distancia.

El atractivo de la fusión es evidente. El combustible, isótopos de hidrógeno, puede extraerse del agua y es prácticamente ilimitado. No produce residuos radiactivos de larga vida como los de la fisión, y no puede fundirse ni desbocarse, porque la reacción se detiene en el instante en que las condiciones se desajustan. Por unidad de combustible, la fusión libera incluso más energía que la fisión.

Entonces, ¿por qué no funcionamos ya con ella? Porque lograr que los núcleos se fusionen es brutalmente difícil. Cada núcleo lleva una carga positiva, y las cargas iguales se repelen. Para forzar a dos núcleos de hidrógeno a acercarse lo suficiente como para que la fuerza fuerte los atrape, hay que superar este muro eléctrico, lo que significa calentar el combustible hasta unos 100 millones de grados, mucho más caliente que el centro del Sol. (El Sol se las arregla con un núcleo más frío porque su gravedad aplastante y su inmenso tamaño compensan la diferencia.) A esas temperaturas la materia se convierte en plasma, un gas cargado que ningún recipiente sólido puede tocar. Los científicos usan potentes campos magnéticos, en máquinas con forma de rosquilla llamadas tokamaks, para mantener el plasma suspendido en una especie de botella magnética.

El sueño de la fusión, y por qué sigue alejándose

El reto que define a la fusión es la ignición: extraer más energía de la reacción que la que viertes para mantenerla caliente y confinada. Durante décadas esto siguió fuera de alcance, lo que alimentó el viejo chiste de que la fusión práctica está siempre a treinta años de distancia.

El panorama ha cambiado de verdad en los últimos años. A finales de 2022, investigadores del National Ignition Facility en California, usando una batería de láseres de alta potencia en lugar de imanes, informaron de la primera reacción de fusión controlada que liberó más energía que la energía láser entregada al perdigón de combustible. Fue un hito, y fue real. Pero es importante ser honestos sobre lo que significa y lo que no. El logro contabilizó solo la energía que llegó al combustible, no la energía muchísimo mayor que los láseres consumieron en total, y fue un único y breve estallido, no una reacción sostenida y autosuficiente que alimente una red eléctrica.

Mientras tanto, el proyecto internacional ITER en el sur de Francia, un tokamak construido por una coalición de docenas de países, aspira a demostrar la fusión magnética sostenida y a gran escala. Es uno de los esfuerzos de ingeniería más ambiciosos jamás intentados, y le faltan años para completarse. Convertir todo esto en reactores que alimenten de electricidad los hogares de manera fiable se espera ampliamente que lleve décadas más. La física ya no está en duda; la ingeniería sigue siendo genuinamente formidable.

Conclusiones clave

La energía nuclear, en ambas formas, se reduce a una única idea elegante tomada de Einstein: reorganiza un núcleo para que se desprenda de una pizca de masa, y esa masa reaparece como un estallido enorme de energía. La curva de energía de enlace, con su pico en el hierro, muestra los dos caminos hacia esa cima. La fisión desciende desde el lado pesado, partiendo uranio o plutonio en una reacción en cadena que ya aprovechamos, con suavidad en las centrales eléctricas que simplemente hierven agua, y de forma catastrófica en las armas cuyo uso sobre Hiroshima y Nagasaki todavía define nuestro sentido de la gravedad de esta tecnología. La fusión asciende desde el lado ligero, el mismísimo proceso que enciende al Sol, ofreciendo combustible limpio casi ilimitado pero exigiendo temperaturas y confinamiento tan extremos que apenas ahora estamos arrancando en el laboratorio los primeros destellos de energía neta. Un proceso es el caballo de batalla de hoy; el otro sigue siendo el sueño del mañana, ya no imposible, pero todavía, por ahora, justo más allá del horizonte.