Hubo una época en la cual se pensó obtener energía de fusión nuclear de otra forma... a lo bestia.
El proyecto PACER proponía un reactor nuclear que en lugar de calentar o "chocar" el combustible nuclear para obtener la fusión, directamente utilizaría bombas termonucleares, así la eficiencia se calculaba ser miles de veces mayor.
No avanzó mucho antes de ser abandonado por razones de precio y política.
¿Como funcionaría?, pues bien, antes debo explicar bastantes mecanismos.
La fisión y fusión nuclear.
Todos los objetos están compuestos de elementos químicos, ya sea de forma pura, en forma de compuesto o en forma de amalgama/aleación.
Tales elementos químicos a su vez poseen una capa de electrones y en su interior un núcleo, el núcleo atómico que está compuesto de protones y neutrones (nucleones).
La fisión nuclear es una reacción nuclear en la cual un núcleo pesado (de mayor número de protones que el hierro) se divide en dos o más núcleos ligeros.
Si esto es cierto, ¿porqué no se puede utilizar el plomo o la plata como combustible nuclear?, la razón la veremos más adelante.
La fusión nuclear es una reacción que, al contrario de la fisión, se da cuando dos núcleos ligeros se unen formando un núcleo más pesado, hasta llegar al hierro, donde la fusión nuclear es tremendamente difícil de llevarse a cabo.
La fusión nuclear es una reacción nuclear cientos de veces más energética que la fisión nuclear, pero también problemática, pues los electrones alejan los átomos y los núcleos atómicos se repelen por su carga, esto hace que se requiera mucha energía para obtener la fusión nuclear
(aunque se ha demostrado que cambiando los electrones por análogos más pesados, muones, la fusión nuclear se puede llevar incluso a temperatura ambiente, cosa que veremos en otra entrada).
La fisión nuclear, masas críticas y materiales fisibles.
Antes surgió la duda del porqué no se puede utilizar el plomo, la plata y otros metales pesados como combustible nuclear.
La respuesta es fácil, no son materiales fisibles, los enlaces de los nucleones en sus átomos son poco energéticos y muy estables, por lo que su fisión nuclear es extremadamente difícil de producir.
La razón de que materiales como el plutonio, neptunio y uranio puedan utilizarse como combustible nuclear, es que sus altas densidades, su inestabilidad nuclear y baja energía requerida para la fisión, los hacen fáciles de llevar a un estado de masa crítica o supercrítica.
¿Qué es la masa crítica?
La masa crítica es el punto de equilibrio de un material fisible, donde tal se fisiona lenta y controladamente, más masa lo transforma en una bomba atómica, pues genera una reacción en cadena (masa supercrítica), y menos masa dificulta la reacción nuclear hasta paralizarla (masa subcrítica).
Para obtener el estado descontrolado, la masa supercrítica, hay diferentes métodos usados en bombas atómicas:
- Aumento de la densidad: método utilizado en bombas atómicas con diseño de implosión; hacen uso de explosivos poderosos y estructuración especial que hace que la implosión -una fase del proceso para obtener la activación de la reacción en cadena, que verás más abajo mejor explicado- genere fuerzas de compresión muy grandes, aumentando la densidad del material fisible en cuestión.
- Forma esférica del material fisible: al ser esférico, los neutrones son generados y absorbidos más homogénea y rápidamente, también es utilizado en bombas atómicas con diseño de implosión.
- Aumento de la cantidad de masa hasta la masa supercrítica: este método fue utilizado en las primeras pruebas nucleares (bombas atómicas del tipo cañón de uranio) donde se hacían chocar o unir dos masas críticas. Las armas nucleares que poseían este diseño, tenían muy poca potencia y malgastaban material fisible.
- Adición de capas de material reflectante de neutrones en una masa crítica: se trata de añadir capas de un material especial que evite la perdida de neutrones y los refleje al interior, acelerando la reacción, también es utilizado en bombas atómicas de implosión.
Este método fue difícil de manejar, de hecho los primeros intentos de obtenerlo causó muchos accidentes de criticidad, como el de 1945, donde un científico murió de envenenamiento radiactivo por la radiación emitida al rodear un núcleo fisible con material reflectante de neutrones, y han habido más accidentes de criticidad letales posteriormente.
Este método fue difícil de manejar, de hecho los primeros intentos de obtenerlo causó muchos accidentes de criticidad, como el de 1945, donde un científico murió de envenenamiento radiactivo por la radiación emitida al rodear un núcleo fisible con material reflectante de neutrones, y han habido más accidentes de criticidad letales posteriormente.
La bomba atómica:
Aunque hay decenas de diseños de bombas atómicas (de fisión) yo hablaré de una de las más potentes, y la utilizada comúnmente como etapa de ignición de un arma termonuclear.
El diseño de implosión o bomba de plutonio: esta arma nuclear tiene un diseño de implosión, una esfera de explosivos extremadamente potentes rodean una fina envoltura de reflector de neutrones, donde en su interior yace una esfera de plutonio hueca de 9 kilogramos (también puede ser uranio 233 o neptunio, pero son poco comunes), masa crítica, a veces también se coloca un ignitor neutrónico de polonio y berilio en el interior de tal esfera.
Cuando el explosivo de alta energía explota, reduce la esfera hueca de plutonio al tamaño de una pelota de tenis (ha esto se le llama implosión)... y comienza el caos nuclear en cadena del cual acaba naciendo una explosión con forma de hongo y un radio de varios kilómetros.
Para utilizar menos plutonio, se suele utilizar lentes de vacío, lentes de aire, combustible de fusión y estructuras complejas de explosivo, son las conocidas bombas atómicas de precisión o de neutrones.
La bomba termonuclear:
Pero en el proyecto PACER no se utilizarían bombas atómicas, sino bombas termonucleares, sin embargo la bomba atómica es la base de una bomba termonuclear.
Las bombas termonucleares actuales utilizan la fusión nuclear como fuente de destrucción principal, pero requieren de una bomba atómica como ignitor.
Para tal función, el diseño más utilizado es el llamado diseño Teller-Ulam, el cual está compuesto por una cabeza atómica (la bomba atómica de plutonio), un contenedor de deuterio líquido, un aerogel o substancia especial y normalmente una interfase.
La bomba atómica enciende la etapa de deuterio líquido, para ello el aerogel especial hace el papel de maximizar la presión a la que es sometida, y la interfase la función de que la etapa de deuterio no absorba demasiada calor (pues podría reventar por la presión interior antes de obtener la fusión nuclear, desperdiciándose).
Una bomba termonuclear no destruiría una ciudad, sino incluso un estado o provincia, ya no hablamos de una explosión de kilómetros de radio, sino de una explosión de decenas e incluso cientos de kilómetros de radio.
En el siguiente enlace podéis ver los efectos destructivos de una bomba termonuclear como la bomba zar (de 50 megatones) en google maps: efectos de la bomba zar.
Es posible hacer hasta bombas termonucleares de varios gigatones, capaces de destruir países enteros, pero simplemente sería muy caro e innecesario (además de difícil de enviar y dirigir), por lo que nunca se ha hecho en la práctica.
El proyecto PACER:
Mecánica del hipotético reactor del proyecto PACER:
Los reactores diseñados y sugeridos por el proyecto PACER constaban de gigantescas cámaras esféricas bajo tierra llenas de agua, los primeros diseños variaban desde los 300 metros de profundidad hasta los 1500 metros de profundidad, dependiendo de la potencia de las cápsulas de combustibles (las bombas termonucleares), máximo 50 kilotones (energía de 50 kilotoneladas de TNT).
Tales esferas estaban interconectadas con miles de tuberías con formas complejas y cientos de turbinas y sistemas de transformación eléctrica, un solo reactor era en teoría capaz de extraer continuamente 2 GWp el equivalente a varias decenas a varios cientos centrales de fisión nuclear convencionales.
También se sugirió utilizar tales reactores como criaderos de uranio-233 (en base al torio), en teoría capaz de generar varias decenas de toneladas de uranio-233 al día.
Fin del proyecto PACER:
Finalmente el proyecto PACER fue cancelado, pues debido a su complejidad técnica y costos de construcción, las tremendas cantidades de energía producida equivalía en precio a la energía producida por un reactor de fisión nuclear convencional.
Otros factores como el tratado contra las pruebas nucleares puso punto y final al intento de su renacimiento.
Renacimiento de ideas parecidas:
Desde entonces han aparecido muchas ideas, algunas ligeras y alocadas (como un motor de combustión interna gigante a base de explosiones nucleares para vehículos colosales), y también otras ideas más serias y posibles de hacer.
Algunos trabajadores de tal proyecto siguieron trabajando después de que el proyecto se cancelase, de forma voluntaria y no oficial, finalmente han llegado a un diseño barato, pequeño y eficiente.
Tal versión más desarrollada se basa en un deposito gigante con forma de vaso (en lugar de esfera), con un diámetro de 30 metros, una altura de 100 metros, el uso de paredes muy reforzadas de 4 metros de grosor en aleación especial.
Tal reactor tendría que estar bajo tierra, anclado a la roca con cientos de pernos de 15 metros de largo, y en lugar de agua utilizaría fluoruros fundidos, la cámara estaría llenada de forma parcial, y cada detonación bombearía el fluoruro hacia arriba, donde un sistema de refrigeración absorbería su temperatura para su uso en generación de energía.
Aun así, algo como esto podría no realizarse nunca debido a los tratados de prohibición de las armas nucleares, y es triste, tenía potencial... literalmente hablando.
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