La fusión nuclear implica la combinación de dos núcleos ligeros en un núcleo más pesado. La fusión o reacciones termonucleares de elementos ligeros son las reacciones típicas que tienen lugar en el Sol y otras estrellas. De hecho en el Sol, cada segundo, se fusionan 657 millones de toneladas de hidrógeno en 653 millones de toneladas de helio. Los 4 millones de toneladas de diferencia de masa se convierten en radiación - y así es como brilla el Sol. Las condiciones extremas de temperatura y presión crean un estado de materia altamente ionizada llamado plasma que se mantiene unido gracias a las fuerzas gravitacionales.

Una reacción de fusión en la que se libera una cantidad relativamente alta de energía (27,7 MeV) es la que conduce a la formación de un núcleo de helio (una partícula alfa) a partir de cuatro protones. Debido a que los isótopos de hidrógeno se fusionan en este proceso y a que el hidrógeno está presente prácticamente en todo lo que nos rodea, la idea de obtener energía a partir de la fusión del hidrógeno es extremadamente atractiva: ¡ ofrece una fuente aparentemente ilimitada de energía para las generaciones futuras !.

Las reacciones de fusión, sin embargo, no son fáciles de lograr en la Tierra. Hay que tener en cuenta que las temperaturas requeridas son extremadamente altas, generalmente del orden de cientos de millones de grados Kelvin. Además, una vez que se crea el plasma caliente, el problema de mantenerlo no es en modo alguno trivial.

A continuación se muestran algunas reacciones de fusión de núcleos ligeros que podrían ser consideradas en aplicaciones prácticas:

Para iniciar una reacción de fusión, se tiene que superar la repulsión de Coulomb entre los núcleos. Por lo tanto, éstos tienen que tener energías cinéticas incidentes altas, desde unos pocos keV a varios cientos de keV (hablaremos más adelante sobre otra posibilidad de iniciar la fusión a bajas temperaturas: la llamada fusión catalizada por mesones). Es fácil acelerar partículas ligeras a tales energías. Sin embargo, la energía que consumen los aceleradores supera con creces a la obtenida de la fusión. Es más práctico utilizar un enfoque diferente: la energía cinética de los elementos reactivos puede ser el resultado de la alta temperatura de un gas compuesto por esos elementos. A temperaturas de decenas o cientos de millones de grados Kelvin, los átomos pierden sus electrones, por lo que los reactivos se encuentran en estado de plasma caliente. De ahí que se hable de reacciones "termonucleares".

El principal problema técnico es la generación de estas condiciones de temperatura y presión extremadamente alta en el gas ionizado (plasma) y su confinamiento en un tiempo suficientemente largo como para provocar la fusión y por lo tanto la liberación de energía. Una vez logrado esto, y suficientes reacciones de fusión llevándose a cabo, las condiciones podrían ser de auto-mantenimiento, es decir que un suministro de combustible fresco debería crear una producción continua de energía.

La condición necesaria para la liberación de energía a partir de un reactor termonuclear viene dada por el llamado criterio de Lawson, que establece que el producto de la densidad de los núcleos en el plasma y el tiempo del confinamiento de éste a la temperatura de ignición apropiada debe exceder un cierto valor umbral. Para la reacción de fusión D-T por ejemplo:

n_eτ_E ≥ 1,5 × 10²⁰ s/m³

La necesidad de altas temperaturas implica que el plasma no puede estar en contacto con el material de las paredes. Por lo tanto se tienen que desarrollar técnicas especiales para el confinamiento del plasma.

Hay tres métodos de confinamiento del plasma: gravitacionales, magnéticos y de inercia. En las estrellas, el confinamiento se debe a su campo gravitatorio que crea una presión suficientemente alta. Ese tipo de confinamiento, sin embargo, no es aplicable en la Tierra. En lugar de ello, se pueden utilizar campos magnéticos fuertes para atrapar el plasma en el método de confinamiento magnético, o, en el llamado confinamiento inercial, los gránulos de hidrógeno se comprimen por medio de un láser potente o de haces de partículas.

En el caso de confinamiento magnético, donde la densidad de las partículas es mayor que, aproximadamente, 10²⁰/m³, el tiempo de confinamiento, derivado del criterio de Lawson, debe ser más largo que 1s. En el caso de confinamiento inercial, por ejemplo, la densidad del plasma típica es aproximadamente ≈ 10³¹/m³, y el tiempo de confinamiento debe ser del orden de 10^-11s.

La reacción más probable para aplicaciones prácticas es la fusión de deuterio y tritio, D + T → ⁴He + n + 17.58 MeV, aunque las reacciones de deuterio-deuterio también se consideran. El deuterio se pueden encontrar fácilmente en agua (30 gramos por metro cúbico). El tritio, sin embargo, tiene que ser producido ya sea en un reactor nuclear o en un reactor de fusión a partir de litio, un elemento que puede ser encontrado en la corteza de la Tierra en grandes cantidades.

Esto se puede lograr mediante el empleo de una capa relativamente gruesa (aproximadamente 1 m) de litio, que contiene también berilio, que rodea el núcleo del reactor. El litio absorberá los neutrones que han sido ralentizados en dicha capa convirtiéndose en tritio y helio. La energía liberada calienta la capa comenzando así la generación convencional de energía. El papel del berilio consiste en mantener suficiente número de neutrones en el sistema.

El movimiento de partículas cargadas en el plasma puede ser controlado por un campo magnético externo. En los sistemas cerrados de confinamiento magnético, llamados reactores Tokamak, se calienta y confina el plasma (D- T por ejemplo) a densidades de hasta 10²¹ partículas por metro cúbico. El campo magnético se diseña para mantener las partículas fuera de las paredes del recinto. De lo contrario, el plasma se 'enfriaría' rápidamente y las reacciones de fusión cesarían.

Además de la elevadísima temperatura, la presión magnética de confinamiento del plasma es también impresionante. Para la densidad de partículas atmosférica (alrededor de 10²⁷ partículas por metro cúbico) y una energía térmica de 10 keV, la presión magnética debe exceder 10⁸ hPa. ¡ Las bobinas de campo y sus soportes mecánicos no pueden resistir tales presiones!. Para hacer que la presión sea más baja, hay que disminuir la densidad de las partículas. Y para cumplir con el criterio de Lawson, se debe entonces mantener el plasma caliente por más tiempo.

La configuración del campo magnético más eficaz ha resultado ser la toroidal. La cámara del reactor tiene la forma de un donut y forma una "botella magnética" cerrada. En realidad, para asegurar la estabilidad del plasma, las líneas de campo magnético siguen una trayectoria helicoidal. Este confinamiento lo proporcionan los dispositivos conocidos como tokamaks, stellarators y compresor de campo invertido (RFP).

En un Tokamak, se colocan una serie de bobinas alrededor de la cámara en forma de toroide, como se ilustra más abajo. El núcleo del transformador pasa por el centro del Tokamak, mientras que la corriente de plasma forma un circuito secundario. El campo perpendicular, llamado poloidal, se induce tanto interna, impulsado por la corriente en el plasma, como externamente, por bobinas de campo poloidales que se colocan alrededor del perímetro de la cámara.

Esta corriente también calienta el plasma a la alta temperatura requerida, de alrededor de 10 millones de K. La idea tokamak surgió de los físicos rusos Andrey Sajarov e Igor Tamm. El principal inconveniente de los tokamaks es el rango relativamente estrecho de los parámetros operativos. El mayor tokamak construido hasta ahora es el Joint European Torus (JET).

En un stellarator, las condiciones de plasma están reguladas por las corrientes que circulan fuera de éste. En este caso, las líneas de campo helicoidal son producidas por una serie de bobinas que son así mismo helicoidales.

El mayor stellarator, el Gran Dispositivo Helicoidal (LHD), en la foto de la izquierda, comenzó a funcionar en 1998 en el Instituto Nacional de Investigación en Fusión de Japón. Debido a que en los stellarators no se induce corriente en el plasma, el calentamiento debe lograrse por otros medios, por ejemplo mediante el suministro de radiación electromagnética al plasma. Dicha técnica se está planificando en Greifswald, Alemania. Estos dispositivos son similares a Tokamaks con respecto a los campos toroidales y poloidales. Sin embargo, las corrientes son mucho más fuertes, y también la dirección del campo toroidal dentro del plasma se invierte en el borde de éste. Este tipo de sistema se emplea, entre otros lugares, en Padua, Italia.

La técnica de la fusión por confinamiento inercial está basada en bolitas (pequeños blancos esféricos) de combustible formado por D-T que se calientan rápidamente hasta alcanzar la temperatura y presión de un plasma.

El plasma se obtiene comprimiendo las micro cápsulas de combustible al bombardearlas con luz laser de gran intensidad y muy focalizada. En estas condiciones, la superficie de estas micro cápsulas se evapora y se forma el plasma. Éste se expande y genera un frente de compresión hacia el interior que provoca la implosión de la micro cápsula y se produce la reacción de fusión instantáneamente.

El dispositivo experimental de fusión más avanzado basado en confinamiento inercial es NOVA, en el laboratorio Lawrence Livermore Laboratory, EEUU. Los investigadores de NOVA han conseguido densidades hasta 600 veces la del D-T líquido y 20 veces mayores a la del plomo.

La comunidad Europea inició el programa JET en 1978. Las siglas JET vienen de Joint European Torus. El principal objetivo de este proyecto es la realización de experimentos de fusión, física de plasmas y condiciones de estabilidad. El proyecto tiene su sede en Culham en Gran Bretaña.

Este dispositivo experimental fue en su momento el mayor tokamak. En 1983, el experimento estaba listo para iniciar su funcionamiento. La primera fusión controlada fue en noviembre de 1991. La máxima potencia de JET alcanzó los 16 MW durante un segundo. Ocurrió en 1997 con un combustible que era mezcla de deuterio y tritio. El experimento JET demostró que la fusión controlada era posible.

ITER, es su sucesor. Se trata de un gran proyecto internacional de investigación e ingeniería que está actualmente construyendo el mayor reactor Tokamak de fusión nuclear en Cadarache, Francia. ITER quiere hacer realidad el paso de los estudios básicos de física de plasmas a la producción de electricidad a gran escala en plantas de fusión nuclear.

El proyecto NIF National Ignition Facility, en California, EEUU, es la mayor instalación Laser del mundo, en tamaño y energía. Uno de sus objetivos es conseguir en el laboratorio la fusión nuclear y la producción de energía, lo que significaría ser capaces de crear una mini estrella en la Tierra.

NIF utiliza láseres extremadamente potentes para calentar y comprimir pequeñas cantidades de hidrógeno hasta conseguir que se produzcan reacciones de fusión. NIF es el mayor dispositivo de Fusión por Confinamiento Inercial (ICF) construido hasta la fecha y es de esperar que sea el primero en conseguir el soñado objetivo de la "ignición", es decir, producir más energía de la que se invierte para iniciar la propia reacción de fusión. Este es su gran objetivo, conseguir en el laboratorio una producción de energía importante, aunque también la de contribuir a la construcción y diseño de armamento nuclear a partir del estudio del comportamiento de la materia en condiciones extremas, tales como las que se dan en las armas nucleares.

Las temperaturas y presiones extremas que se crean en la cámara de reacción de NIF permite a los científicos experimentar en condiciones de alta densidad, que aportarán datos de importancia en nuestro conocimiento de fenómenos astrofísicos tales como supernovas, planetas gigantes y agujeros negros.

La fusión puede considerarse en cierta manera como la reacción opuesta a la fisión nuclear. En la fisión, la escisión de un núcleo pesado, produce dos núcleos de menor masa. La suma de las masas de los núcleos producidos es menor que la masa del núcleo pesado. En el caso de la fusión, la masa del núcleo pesado es menor que la suma de las masas de los núcleos ligeros.

Es fácil darse cuenta que para iniciar una reacción de fusion, la energía relativa de los núcleos (cargados positivamente), debe de ser lo suficientemente grande para compensar la repulsión eléctrica. De esta forma, para formar átomos de helio, que se consigue tras la fusión de deuterio y tritio, el combustible tiene que estar a muy alta temperatura y presión.

En esta reacción se produce también un neutrón. Este tiene una energía cinética elevada, que se va perdiendo en un proceso de frenado. La energía se convierte en calor, que produce vapor que a su vez hace girar unas turbinas y activa un generador eléctrico. Los neutrones producidos en estas reacciones de fusión pueden a su vez utilizarse para producir combustible nuclear a partir de uranio empobrecido, i.e uranio que contiene ²³⁵U en menor proporción que el uranio natural (0,72%).

Aproximadamente uno de cada 6 000 átomos de hidrógeno que nos rodean (incluyendo el hidrógeno almacenado en el agua) es un átomo de deuterio. Esta abundancia es un poderoso incentivo para diseñar algún tipo de instalación de reacción de fusión - ya que esto efectivamente daría un suministro de energía a la humanidad de quizá ¡miles de millones de años!.

Comparemos: a fin de producir 1 GW-año de energía eléctrica, se necesita cerca de 35 toneladas de UO₂ para la fisión, y alrededor de 100 kg de deuterio y más de 150 kg de tritio para la fusión. Otro aspecto que hace atractiva la fusión es la falta casi total de contaminantes (subproductos) radioactivos. Particularmente importante es el hecho de que ningún material que se emplea para la producción de armas nucleares se obtiene de la producción de una planta de energía de fusión. Además, en contraste con los reactores nucleares de fisión, una explosión de una instalación de fusión es prácticamente imposible: si ocurriese una explosión, el plasma se expandiría y se enfriaría, lo que detendría automáticamente el proceso de fusión.

Esto no quiere decir que no existan riesgos relacionados con los reactores de fusión. En particular, hay que tener en cuenta la producción masiva de neutrones, y de tritio radiactivo. La presencia de sales de litio fundido y del berilio, cancerígenos, también presentaría un problema.

Al igual que en el caso de los reactores de fisión, en los reactores de fusión se produce una gran cantidad de radiación ionizante (especialmente neutrones). Por lo tanto, es de esperar que uno de los principales problemas sea el blindaje contra la radiactividad inducida en toda la instalación. El riesgo asociado con un posible accidente del sistema magnético, que almacena cantidades muy altas de energía, tiene que ser considerado seriamente. En 1992 se creó el equipo denominado Evaluación Ambiental y Seguridad de Energía de Fusión Europeo (SEAFP). El propósito del equipo es trabajar en el diseño de las centrales eléctricas de fusión, sus condiciones de seguridad y la evaluación de su impacto en el medio ambiente. De acuerdo con las evaluaciones de la SEAFP, la principal ventaja de la fusión sobre las plantas de energía de fisión nuclear consiste en que, en el peor de sus escenarios, la liberación de radiación nunca llegará a un nivel tal que obligue a la evacuación de la población. Además, los residuos radiactivos producidos en las plantas de energía de fusión se descomponen relativamente rápido y no requieren el aislamiento del entorno. Un problema particular a tener en cuenta está relacionado con la posible liberación de tritio radiactivo al medio ambiente. Este gas radiactivo es muy penetrante, se disuelve fácilmente en agua, y todavía puede ser peligroso largo tiempo después de su creación (la vida media del tritio es de unos 12 años).

Hasta el momento, todas las promesas y esperanzas para la producción de energía han resultado ser prematuras - no hace demasiado se ha conseguido que la energía producida sea igual a la energía suministrada al sistema (por primera vez en América por el TFTR y el japonés JT60, así como en el Joint European Torus - JET). Los principales retos son: mantener una configuración de plasma estable, encontrar materiales que puedan soportar los intensos flujos de neutrones producidos y extraer la energía útil para lograr producir considerablemente más energía que la que se ha introducido inicialmente.

Actualmente ITER lidera el esfuerzo para comercializar la energía de fusión, desde 1985. El proyecto consiguió un nuevo impulso cuando se fundó la Organización ITER en 2007, con China, la Unión Europea, India, Japón, Corea del Sur, Rusia y EE.UU. como miembros. La máquina está ahora siendo construida en Cadarache, Francia, con el objetivo de alcanzar 500 MW de potencia y un factor de ganancia de fusión Q = 10,5, con una programación temporal del proyecto de 30 años.

Desafortunadamente, la energía termonuclear (así como otras formas de energía) ya se han utilizado para fines militares en la llamada bomba de hidrógeno.