Quina diferència hi ha entre la fusió nuclear i la fissió nuclear?

Clic per engrandir. La fusió i la fissió depenen de reaccions nuclears. Crèdit: Sergey Nivens, Shutterstock

De vegades confoses perquè les seves designacions són similars, la fissió i la fusió són, tanmateix, dos processos radicalment diferents, tant a petita com a gran escala!
 

La diferència entre la fusió nuclear i la fissió nuclear. Quina diferència hi ha entre la fissió i la fusió nuclear? Tots dos impliquen reaccions al nucli atòmic, però la fusió implica unir dos nuclis lleugers, on la fissió trenca un nucli pesat en dos més lleugers.

Si aquests dos termes són semblants perquè tenen lloc a nivell del nucli atòmic, designen tanmateix processos radicalment diferents! Quan a la fusió implica unir dos nuclis lleugers per fer-ne un de més pesat,  la fissió trenca un nucli pesat en dos nuclis més lleugers. A Europa és fissió, no fusió, que s'utilitza per generar electricitat. Molt més avançada que la fusió, que aquesta es troba en fase experimental, existeixen diverses tècniques per fer fissió.

La fissió nuclear es va descobrir fa més de 80 anys

Descobert l'any 1938 pel físic alemany Otto Han i la física Lise Meitner, la fissió es va estudiar molt ràpidament amb finalitats militars, per crear la famosa bomba atòmica. No va ser fins molt més tard, a la dècada de 1950, que es van dissenyar i posar en funcionament els primers reactors civils. De fet, la fissió nuclear genera calor, de manera que es pot operar dins d'una central elèctrica.

La reacció de fissió té lloc a escala atòmica, quan un nucli anomenat "fissil" xoca amb un neutró, aquest últim és absorbit. Però el nucli així creat és inestable, i es divideix en dos nuclis inestables, anomenats productes de fissió. La reacció allibera calor a través del moviment de partícules, però també per la desintegració radioactiva dels productes de fissió. L'urani natural és l'únic element natural que conté un isòtop físsil: urani 235, present en un 0,7% a l'urani natural.

Clic per engrandir. Quan un neutró és absorbit per un àtom d'urani 235, aquest es torna inestable i es fissiona. Crèdit: Hawkeye7, Wikimedia commons, Sci-Bit.

A França, per exemple, l'energia nuclear es va explotar a partir dels anys 60, però primer amb un procés diferent del que s'utilitza actualment. Els reactors contenien urani natural i utilitzaven aigua pesant (que conté deuteri en lloc d'hidrogen), o grafit per moderar els neutrons (alentir-los). El transport de calor s'efectuava a gas (CO2 o aire). Avui, els reactors d'aigua a pressió governen el sector francès: l'aigua líquida realitza tant la funció de moderador de neutrons com de refrigerant. El combustible aquesta vegada és urani enriquit, per tant tractat per contenir més urani 235 que l'urani natural.      

Però hi ha moltes altres maneres d'aprofitar la fissió nuclear a tot el món, en particular utilitzant aigua a pressió però amb un disseny de reactor diferent, i també utilitzant una tecnologia diferent. Es poden esmentar, per exemple, els reactors que utilitzen aigua pesant, els que utilitzen aigua bullint, gas com a refrigerant, o fins i tot els reactors de neutrons ràpids de 4a generació.

Clic per engrandir. La central de Fessenheim no funciona des de l'any 2020. Segons les previsions es desmantellarà a partir de l'any 2025, un cop s'hagi descarregat el combustible. Crèdit: Caesar, Viquipèdia, CC by-sa 3.0

 

La fusió nuclear encara és experimental

A diferència de la fissió, la fusió encara no s'explota per produir energia a gran escala. Consisteix, com el seu nom indica, a fusionar dos nuclis atòmics: el més sovint, dos isòtops d'hidrogen que es fusionen per donar un àtom de heli i un neutró. El procés és molt més difícil de crear que la fissió, ja que requereix una temperatura i una pressió molt elevades, molt més que els pocs centenars de graus de centrals que utilitzen la fissió. Son necessàries condicions semblants a les del cor de les estrelles, és a dir, diversos centenars de milions de graus!

Clic per engrandir. La fusió és el procés d'apropar dos nuclis lleugers prou junts perquè es fusionin i en facin un de més pesat. Crèdit: Iter

A aquesta temperatura, la matèria es troba en forma de plasma, gas d'on els àtoms s'han dissociat: els electrons ja no estan units al nucli dels àtoms. La reacció de fusió allibera una quantitat molt gran d'energia i no genera cap residu radioactiu com la fissió. A més, utilitza elements fàcils de trobar, isòtops de l'hidrogen.

Però escalfar la matèria a milions de graus mentre la confina és un repte tecnològic; a més, dins del plasma es creen inestabilitats, que tendeixen a “extingir” aquest plasma. De moment, només s'utilitzen dos mètodes per controlar el plasma: el confinament inercial i el confinament magnètic. És aquest últim el que s'utilitza al Iter (International Thermonuclear Experimental Reactor), al sud de França. El plasma està confinat dins d'un reactor en forma de toro, anomenat tokamak, per un poderós camp magnètic. Una altra forma de reactor és el estelarador, on el camp magnètic pren una forma diferent, també ho fa el reactor. 

Clic per engrandir. Gràcies a un potent camp magnètic, el plasma circula entre les parets del tokamak, sense tocar-les. Crèdit: Iter

El confinament inercial, en canvi, només s'utilitza en dos llocs del món, inclòs el Làser Megajoule aprop de Bordeus. Aquesta vegada, la fusió es desencadena centrant un gran nombre de raigs làser de gran potència en un petit objectiu que conté deuteri i triti, els dos isòtops de l'hidrogen que estan destinats a fusionar-se. Així, els làsers comprimiran l'objectiu, tan fortament que desencadenaran la reacció de fusió.

Clic per engrandir. Aquí, diversos làsers se centren en una petita càpsula per tal de fusionar els isòtops que hi ha a l'interior. Crèdit: LLNL

Si la fusió és accessible per aquests dos mètodes, actualment no ho és possible per cap d'ells a gran escala. L'explotació industrial de la fusió no hauria d'arribar abans del 2050.

Ho he vist aquí.