La fusión nuclear perfecta no es la de ITER: este es el ingrediente que puede resolver todas nuestras necesidades energéticas

Los muones están en el punto de mira de los físicos. Y lo están por un buen motivo: son una de sus mejores bazas a la hora de encontrar fisuras en la teoría de la física más consistente de cuantas han elaborado hasta ahora. Encontrar grietas en el modelo estándar no es nada fácil, pero algunos de los experimentos desarrollados en el CERN y Fermilab durante los últimos años en los que están involucradas estas partículas invitan a los científicos a encarar el futuro de la física con un optimismo muy saludable.

Los muones, que son los auténticos protagonistas de este artículo, son muy especiales. Estas partículas elementales solo se producen cuando tienen lugar colisiones de alta energía, como aquellas en las que se ven involucrados los rayos cósmicos, y también en las colisiones que los seres humanos provocamos en los aceleradores de partículas. Además, son inestables, lo que provoca que cuando se originan decaigan rápidamente, desintegrándose para dar lugar a la producción de otras partículas, como los electrones, que son estables, o los neutrinos (solo el neutrino electrónico es estable).

Sin embargo, su utilidad va mucho más allá del ámbito de la física teórica. Y es que los muones tienen la capacidad de intervenir en la fusión nuclear. En esa misma fusión nuclear que lleva en el centro de la conversación pública varios años, y de la que hablaremos mucho más en el futuro. La que respaldan dos proyectos tan prometedores como lo son ITER o IFMIF-DONES. Curiosamente, su papel en esta forma de obtención de energía es muy poco conocido fuera del ámbito de la investigación, y, como estamos a punto de comprobar, es apasionante. Prometido.

La fusión nuclear perfecta es la catalizada por muones

Antes de seguir adelante es importante que conozcamos un poco mejor a los muones. Al igual que los electrones, estas partículas elementales tienen carga negativa, pero, y esto es muy importante, su masa es aproximadamente 207 veces mayor que la del electrón, lo que provoca que aceleren con más lentitud cuando se les somete al efecto de un campo electromagnético. Y también que emitan menos radiación de frenado, que es una forma de radiación electromagnética que se produce debido a la deceleración de una partícula con carga eléctrica.

Los muones pertenecen a una familia de partículas conocida como leptones, en la que conviven con el electrón, el neutrino electrónico, el neutrino muónico, el tau y el neutrino tauónico, y tienen otra propiedad que merece la pena que no pasemos por alto: giran en una órbita que está doscientas veces más cerca del núcleo atómico que el electrón.

Curiosamente, si introducimos los dos ingredientes de la fusión nuclear, un núcleo de deuterio y otro de tritio, en un recipiente junto a un muon, este último ocupará el lugar de un electrón, pero quedará mucho más cerca del protón del núcleo (recordemos que el deuterio y el tritio son isótopos del hidrógeno y tienen un único protón en el núcleo) de lo que lo estaba el electrón original.

Como el muon tiene carga negativa y la del protón es positiva, su mayor proximidad frente a la órbita del electrón provoca que la carga del protón se vea neutralizada, de manera que cabe la posibilidad de que otro protón cercano se acerque al protón rodeado por el muon. Si la carga de este último ha sido neutralizada y ambos protones se acercan lo suficiente, es posible que la interacción nuclear fuerte entre en acción y se produzca la fusión de ambos núcleos, con la consiguiente liberación de energía.

Todo esto significa, sencillamente, que si colocamos en un contenedor una mezcla de deuterio y tritio, e introducimos un muon, esta última partícula provocará la fusión de un núcleo de deuterio y otro de tritio. Se liberará mucha energía, como hemos visto, y, además, el muon no se consumirá. De hecho, una de estas partículas puede intervenir en hasta dos centenares de fusiones antes de desintegrarse. Pero las ventajas de la fusión catalizada por muones no acaban aquí.

Los muones introducen grandes ventajas, aunque también enormes retos

Para fusionar deuterio y tritio utilizando como catalizador un muon los núcleos de los dos primeros elementos no tienen por qué estar al menos a 150 millones de grados Celsius, que es la temperatura que requiere la fusión nuclear mediante confinamiento magnético para llegar a buen puerto. Basta que estén a una temperatura de unos 500 grados Celsius, que no es nada comparado con 150 millones de grados. De hecho, esta es la razón por la que esta forma de fusión suele conocerse como «fusión fría», incluso aunque realmente no sea del todo fría.

Llevar a cabo la fusión sin necesidad de alcanzar una temperatura tan alta como la que requieren los reactores experimentales en operación actualmente, como JET, en Oxford (Inglaterra), o JT-60SA, que está en Naka (Japón), conlleva varias ventajas.

La más evidente es que las condiciones que es necesario sostener para que tenga lugar la fusión son mucho menos exigentes. Además, la energía que es necesario invertir para desencadenar la reacción es también mucho más comedida, y en cierta medida la complejidad de la instalación desde un punto de vista técnico se reduce un poco, aunque aún estamos muy lejos del momento en el que la puesta a punto de un reactor de energía de fusión sea pan comido (si es que algún día llega a serlo).

Como veis, hasta aquí todo pinta de maravilla. Pero hay dos restricciones lo suficientemente importantes como para que este procedimiento de fusión no sea rentable desde un punto de vista energético. Al menos, hasta este momento. Por un lado, los muones se desintegran al alcanzar una cifra cercana a las doscientas fusiones.

Y, por otra parte, para obtener un muon necesitamos colisionar partículas e invertir en este proceso aproximadamente doscientas veces la energía que obtendremos como resultado de la fusión nuclear. En estas condiciones, obviamente, este proceso no es rentable desde un punto de vista energético.

La única forma de alcanzar un balance energético positivo durante este proceso requiere encontrar la manera de que los muones no se desintegren después de esas aproximadamente doscientas fusiones. Y, por el momento, esta posibilidad atenta contra la física fundamental.

Aun así, si alguien elabora una estrategia que ponga en nuestras manos la posibilidad de que un muon pueda intervenir en una cantidad de fusiones superior a esas doscientas, la fusión nuclear inducida por estas partículas será rentable. Desafortunadamente ahora mismo esta idea tiene más de ciencia ficción que de ciencia. Pero, quién sabe, la experiencia nos ha enseñado que en ocasiones el desarrollo científico ha derribado muros que parecían todavía más altos.

Imagen de portada: CERN