Tres mil quinientos millones de grados y a todo el mundo le da igual...

3,7 mil millones de grados y a todo el mundo le da igual

2 de julio de 2006

El pasado 19 de junio, un lector había publicado en el foro de Agoravox un artículo titulado:

2 mil millones de grados. La humanidad descubre el fuego absoluto y a todo el mundo le da igual

Un artículo que suscitó más de 300 reacciones. Como un lector me había señalado la existencia de este foro, participé en él. El lector interesado en lo que allí se dijo podrá encontrarlo en el archivo:

http://www.agoravox.fr/article.php3?id_article=10680

Estoy ante mi página en blanco y busco qué escribir, qué tono adoptar, a qué nivel situarme. Es cierto que ante una situación así uno se siente un poco desbordado por los acontecimientos, o más bien por los... no-acontecimientos en este caso.

Antes de retomar este tema, para quienes hayan seguido lo que he dicho o escrito en mi sitio sobre la "máquina Z" y este descubrimiento, diré que recibí la visita de un periodista hacia el 25 de junio. Se marchó diciendo que sometería un artículo a su jefe de redacción. La reacción fue inmediata y simple:

- No lo he visto en AFP ni en la agencia TASS, ni en ninguna agencia de prensa.

Es cierto. Sin embargo, han pasado tres meses desde la difusión de esta noticia sin que la prensa, en todos los países, ni las agencias de prensa hayan reaccionado. Es... desconcertante y... también da miedo.

Voy a retomar el hilo de esta historia desde cero, para los lectores que se incorporen ahora.

Todo comenzó el 9 de marzo de 2006 con una noticia presentada en el sitio Futura-Science

http://www.futura-sciences.com/news-z-machine-depasse-deux-milliards-degres_8419.php

Este artículo partía en realidad de un anuncio muy oficial procedente del sitio de los Laboratorios Sandia, situados en Nuevo México, EE. UU. Para quien lo ignore, Sandia es un vasto complejo de laboratorios que trabaja en gran parte en proyectos de armas de todo tipo. Para situarnos, dos laboratorios en EE. UU. llevan décadas compitiendo sistemáticamente en el diseño de armas nucleares (y otras):

Sandia
Los Álamos (Aquí se concibió la primera bomba atómica, en la "mesa")

El sitio de Los Álamos, Nuevo México, Estados Unidos, donde se concibió la primera bomba atómica

Siguiendo el hilo de la historia y retrocediendo en el tiempo, encontramos este anuncio de los laboratorios Sandia, con fecha del 8 de marzo de 2006:

http://www.sandia.gov/news-center/news-releases/index.html

He aquí el anuncio en cuestión:

"Two billions degrees Kelvin" en inglés significa "dos mil millones de grados absolutos"

En realidad, este anuncio sigue de cerca la publicación de un artículo impactante firmado por Malcolm Haines (Imperial College, Londres), especialista internacionalmente reconocido en física de plasmas, por Deeney (responsable de los experimentos en la máquina Z de Sandia) y por otros cuatro investigadores, publicado en la revista de alto nivel Physical Review Letters el 24 de febrero de 2006. Los dos enlaces citados más arriba solo se refieren a anuncios mediáticos. El documento clave es el artículo citado. Dada su importancia, tras comprarlo, lo puse a disposición para su descarga en mi sitio.

El artículo de Malcolm Haines, Deeney y otros, en pdf

He aquí su primera página:

"Over 2 x 109 Kelvin" significa "por encima de dos mil millones de grados Kelvin"

Cabe señalar la fecha de la primera presentación del artículo, el 13 de mayo de 2005. Este trabajo se refiere por tanto a resultados experimentales anteriores a esta fecha.

Ese es, en realidad, el documento interesante y lo he analizado minuciosamente. He realizado este análisis pensando en científicos (y periodistas científicos) y lo he precedido de un resumen divulgativo. El lector científico o "orientado a la ciencia" podrá consultar este análisis. Pero esta página, este dossier, está destinado al público más amplio. Que quienes no sean científicos o "orientados a la ciencia" salten este enlace.

Mi análisis del trabajo de Haines y Deeney, 24 de febrero de 2006

Antes de volver a generalidades sobre la fusión (generadora de neutrones y "a-neutrónica"), sobre la fusión en un tokamak como ITER o por "confinamiento inercial", etc., tema de este dossier, que intentaré hacer lo más divulgativo posible, unas palabras sobre lo esencial del artículo mencionado.

Desde 1998 se han realizado experimentos de compresión de un plasma en Sandia (y en diversos otros países nucleares: Rusia, China, Inglaterra, Francia, pero no con medios tan grandes). El objetivo era, comprimiendo la materia con fuerzas electromagnéticas (esto se retomará más adelante), calentarla y hacer así que emitiera rayos X. La máquina Z y todas las máquinas de este tipo no fueron concebidas inicialmente para lograr la fusión. Eran simplemente potentes fuentes de rayos X, de uso 100 % militar, con el objetivo de probar la resistencia de las ojivas al intenso flujo de rayos X procedente de una bomba atómica explotando en el vacío espacial, bomba que es el elemento clave de las armas antimisiles cuyo objetivo es destruir mediante esta fuerte irradiación los delicados sistemas de guiado y detonación de las bombas. Desde 1998, los experimentos realizados en Sandia mostraban que la temperatura de los iones debía ser anormalmente elevada. Pero no se medía. Lo que se medía, a partir de la emisión de rayos X, era la temperatura electrónica. La temperatura de los iones se deducía. Veremos más adelante cómo. Curiosamente, estos experimentos conducían a temperaturas iónicas que debían ser superiores, y con mucho, a la temperatura electrónica (¡cien veces!). Sistemas "bi-temperatura" los tienes... en tu cocina. Son los... tubos de neón. Los iones de neón (átomos de neón que han perdido electrones) están fríos, a temperatura ambiente. Puedes poner la mano sobre el tubo sin quemarte. En cambio, los electrones están a miles de grados (volveremos sobre esto más adelante). En los experimentos de Sandia, las cosas solo podían explicarse si el "gas de iones" estaba mucho más caliente que el gas de electrones.
En 2005, los investigadores que trabajaban en la máquina Z pudieron realizar mediciones directas de esta temperatura de los iones, descritas en el artículo de Haines, Deeney y otros. Confirmaron lo que se calculaba previamente. Esta temperatura, como indica el título, es "por encima de 2 mil millones de grados Kelvin". Pero si uno se sumerge en el artículo (y en el análisis que he hecho de él, a dos niveles), ve que esta temperatura aumenta durante las mediciones y pasa de hecho de 2,66 mil millones de grados a 3,77 mil millones de grados. Estas mediciones son 100 % fiables (la medición de temperatura mediante el ensanchamiento de las líneas por efecto Doppler es un clásico de la física y de la astrofísica en particular. El artefacto está excluido).
Subsidiariamente, Haines y sus colegas (él es teórico) se interrogan sobre el mecanismo que aseguraría un calentamiento tan elevado de los iones. Invoca inestabilidades MHD. Retomaremos todo esto más adelante también.

El contenido de los debates ha mostrado que para la gran mayoría de los lectores y participantes la fusión se reducía a la del mezcla de los dos isótopos del hidrógeno

Deuterio + Tritio dando un Helio más un neutrón representando una energía de 14 Mev (mega-electrón-voltios)

Véase por ejemplo el dossier de Wikipedia:

http://fr.wikipedia.org/wiki/Fusion_nucl%C3%A9aire

En este solo se encontrará una única ilustración de esquema de fusión:

Esquema de fusión de los dos isótopos del hidrógeno, el deuterio y el tritio, a cien millones de grados

Se ve que es el neutrón el que se lleva más energía: cuatro veces más que el núcleo de helio producido.

Los lectores deberán grabarse ahora en la cabeza otros esquemas de fusión.

A partir de 500 millones de grados, la del litio y el hidrógeno (ligero):

Fusión "a-neutrónica" Litio - Hidrógeno

A partir de mil millones de grados, la del boro y el hidrógeno (ligero):

Fusión "a-neutrónica" Boro - Hidrógeno

A-neutrónica porque no hay neutrones. Son estos neutrones, emitidos a una velocidad relativista, los que hacen que los tokamaks (ITER es un tokamak) hagan que esta fusión genere radiactividad "activando" las estructuras circundantes. Estos neutrones, además, no pueden ser detenidos por "confinamiento magnético". Nada los detiene, salvo obstáculos físicos. Como subrayaba el premio Nobel de Gennes, resultarán extremadamente agresivos respecto a la estructura del imán superconductor que asegura el confinamiento, que cuesta una fortuna y no puede ser reemplazado periódicamente.

La energía es transportada simplemente por núcleos de helio, el simple helio. ¿Dónde está la radiactividad? No la hay. ¿Dónde están los "residuos nucleares"? Respuesta: el helio. Podrías vivir al lado de una central de fusión a-neutrónica. O bien rechazaría su helio por chimeneas, en cuyo caso este gas subiría. Es ligero, el helio. O bien se recuperaría para inflar globos, barato. Por el momento, el helio es ruinoso. Ahí se podría imaginar vehículos en forma de globos inflados con helio, propulsados por energía solar, por ejemplo. A menos que estos aerodeslizadores, o estos vehículos, funcionen con generadores eléctricos de fusión a-neutrónica, miniaturizados.

Hay que responder ahora a las preguntas que se plantean, legítimamente, los lectores. La temperatura, ¿qué es?

Vamos a definir la temperatura absoluta T de un gas. Preciso que es su definición. Un gas es un conjunto de partículas que tienen una masa m. Partículas que están agitadas en todos los sentidos. A este movimiento se le llama agitación térmica. El aire que respiras está constituido por moléculas que, en promedio, se desplazan a 400 metros por segundo. Es un valor medio. Hay más rápidas y más lentas, pero no se comete un gran error imaginándolas todas circulando a la misma velocidad. ¿Por qué estas moléculas de aire no te desgarran los alvéolos? Porque son objetos de muy poca masa. Una molécula de aire a plena velocidad no le haría daño a una mosca. Ya lo sientes, ¿verdad?

En un tokamak la temperatura absoluta es de 100 millones de grados. Los núcleos de hidrógeno viajan a casi mil kilómetros por segundo. Se trata de su velocidad de agitación térmica. Para aprendices de físicos, ver recuadro a la derecha:

Todos físicos

Definición de la temperatura absoluta en un gas:

k es una constante que se llama constante de Boltzmann y que vale

k = 1,38 10

Vamos a hacer alta física. La masa de un átomo de hidrógeno, de un protón es de:

m = 1,67 10

kilo

Entremos en un tokamak. Temperatura (mientras funcione): 100 millones de grados absolutos. Contenido

Deuterio. Masa del núcleo: 3,34 10

kilo

Tritio. Masa del núcleo: 5 10

kilo

Mitad y mitad. Masa media de los núcleos. 4,17 10

kilo

Con una temperatura absoluta de cien millones de grados Kelvin la velocidad media de agitación térmica de estos núcleos es:

Una fracción, potencias de diez, una raíz cuadrada. Ya tienes más de la mitad de la física al alcance de tus neuronas. Ahora bien, lo que hay en un tokamak es una mezcla de núcleos dotados de una carga positiva y electrones, dotados de una carga negativa. El medio es colisional. Eso significa que los iones, los electrones intercambian mucha energía entre sí. Se podrá decir que el contenido del tokamak es una mezcla de dos gases:

El gas de iones, de núcleos de hidrógeno pesado teniendo una masa media de 4,17 10

kilo

El "gas de electrones", constituido por partículas cuya masa es de 0,9 10-30 kilo

Las colisiones tienden a establecer un estado de equilibrio termodinámico. Eso significa que si el medio es una mezcla de especies diferentes, todas están a la misma temperatura. Tienen la misma temperatura absoluta: aquí cien millones de grados. Pero ¿qué es la temperatura electrónica, la temperatura del "gas de electrones"? Se define de la misma manera.

La constante de Boltzmann no cambia. Si los dos gases que "cohabitan" están en estado de "equilibrio termodinámico", entonces las temperaturas son iguales. Lo que significa que las energías cinéticas medias (de agitación térmica) son iguales.

Como los electrones son más ligeros son más rápidos, pero no somos aún relativistas, ni de lejos.

Todos físicos

Definición de la temperatura absoluta en un gas:

k es una constante que se llama constante de Boltzmann y que vale

k = 1,38 10

-23

Vamos a hacer alta física. La masa de un átomo de hidrógeno, de un protón es de:

m = 1,67 10

-27

kilo

Entremos en un tokamak. Temperatura (mientras funcione): 100 millones de grados absolutos. Contenido

Deuterio. Masa del núcleo: 3,34 10

-27

kilo

Tritio. Masa del núcleo: 5 10

-27

kilo

Mitad y mitad. Masa media de los núcleos. 4,17 10

-27

kilo

Con una temperatura absoluta de cien millones de grados Kelvin la velocidad media de agitación térmica de estos núcleos es:

El gas de iones, de núcleos de hidrógeno pesado teniendo una masa media de 4,17 10

-27

kilo

El "gas de electrones", constituido por partículas cuya masa es de 0,9 10-30 kilo

Como los electrones son más ligeros son más rápidos, pero no somos aún relativistas, ni de lejos.

Elevar un medio gaseoso a alta temperatura es aumentar la velocidad de agitación térmica de los iones. En un plasma de litio a 500.000 °K la velocidad de agitación térmica de los núcleos de litio es de 1.330 km/s. En un plasma de boro a mil millones de grados es de 1.516 km/s

Detalle del cálculo en el recuadro:

Del litio a 500.000 °K

Temperatura absoluta en un gas:

k es una constante que se llama constante de Boltzmann y que vale

k = 1,38 10

Velocidad de agitación térmica en un gas a una temperatura absoluta T:

Masa de un núcleo de litio: 7 veces la masa del nucleón (protón y neutrón) es decir:

1,67 10

kilo = 1,17 10

kilo

Lo que nos da una velocidad de agitación térmica de:

1.330 km/s

Del boro a mil millones de °K

Velocidad de agitación térmica en un gas a una temperatura absoluta T:

Masa de un núcleo de litio: 11 veces la masa del nucleón (protón y neutrón) es decir:

1,67 10

kilo = 1,83 10

kilo

Lo que nos da una velocidad de agitación térmica de:

1.516 km/s

¿No te parece que se ve un poco más claro?

Del litio a 500.000 °K

Temperatura absoluta en un gas:

k es una constante que se llama constante de Boltzmann y que vale

k = 1,38 10

-23

Velocidad de agitación térmica en un gas a una temperatura absoluta T:

Masa de un núcleo de litio: 7 veces la masa del nucleón (protón y neutrón) es decir:

1,67 10

-27

kilo = 1,17 10

-26

kilo

Lo que nos da una velocidad de agitación térmica de:

1.330 km/s

Del boro a mil millones de °K

Velocidad de agitación térmica en un gas a una temperatura absoluta T:

Masa de un núcleo de litio: 11 veces la masa del nucleón (protón y neutrón) es decir:

1,67 10

-27

kilo = 1,83 10

-26

kilo

Lo que nos da una velocidad de agitación térmica de:

1.516 km/s

¿No te parece que se ve un poco más claro?

Pero ¿cómo crear estas velocidades de agitación térmica? Bueno, si me las arreglara para hacer implosionar un plasma y que la velocidad de implosión alcanzara estos valores, esta energía cinética se transformaría en velocidad de agitación térmica. Es muy simple. Hay que conservar la energía. Esto ocurrirá si no hay demasiadas pérdidas radiativas durante el proceso.

Los átomos se chocarán entre sí. Las colisiones redistribuirán esta energía cinética en todas las direcciones. De todas formas, un proceso de implosión calentará el medio. Pero ¿se mantendrá esta temperatura el tiempo suficiente para que se produzca la fusión?

¿Qué significa "el tiempo suficiente"?

Buena pregunta. Y esto nos lleva a reflexionar sobre las condiciones en las que se pueden crear reacciones de fusión. Vamos pues a hablar del criterio de Lawson. Es una palabra muy grande para designar algo que en suma es bastante simple e intuitivo. Se dice que no se hace una tortilla sin romper huevos. Imagina que quisieras romper huevos de masa m (no sé cuánto pesa un huevo, pero da igual). Imaginemos pues que tenemos una cámara donde huevos ruedan y chocan entre sí. Para que un choque entre dos de estos huevos pueda provocar una ruptura hace falta:

Que estos huevos se choquen efectivamente
Que su velocidad relativa sea suficiente para provocar la rotura de las cáscaras.

Sea M la masa de los huevos. Alguien hará quizás la experiencia (interesante, por lo demás) para determinar cuál debe ser la velocidad de dos huevos que entran en colisión para que haya un principio de tortilla. Llamemos a esta velocidad V. Si esta velocidad es una velocidad de agitación de los huevos, se podrá asimilar a una velocidad de agitación térmica. Si la velocidad no es suficiente, la cáscara resistirá incluso a un choque frontal. Ahora bien, quien dice velocidad de agitación térmica dice temperatura. Sustituye los huevos por núcleos y la rotura de cáscara por una reacción de fusión. Habrá fusión si la temperatura del medio supera un cierto umbral. Para una mezcla deuterio-tritio esta temperatura mínima es de 100 millones de grados. En realidad, para que haya fusión del deuterio y del tritio hace falta que estos núcleos puedan acercarse lo suficiente para que "la reacción de fusión" se produzca. Lo que les impide acercarse es el hecho de que, teniendo ambos cargas positivas, se repelen bajo el efecto de la fuerza electrostática.

Se ha visto más arriba que esta velocidad de agitación térmica, por tanto de colisión, asociada a una temperatura de núcleos de hidrógeno de 100 millones de grados era de casi 1000 km/s. Para hacer fusionar litio e hidrógeno hace falta acercar un protón portador de una carga eléctrica y un núcleo de litio que tiene tres. El trabajo a proporcionar es mayor. Tendremos pues una temperatura de fusión más elevada: 500 millones de grados. Y será a fortiori el caso con un núcleo de boro (5 cargas unitarias) y un protón (núcleo de hidrógeno ordinario). Sucede que esta temperatura es entonces de mil millones de grados.

Estas temperaturas de fusión: 100 millones de grados, 500 millones, mil millones pueden parecer surrealistas, pero las cosas parecen más tangibles si razonamos en términos de velocidades de agitación térmica:

1000 km/s 1300 km/s 1500 km/s

El hecho de que los componentes alcancen estas velocidades de agitación es una condición necesaria pero no suficiente.

Las velocidades de agitación son una

Tres mil quinientos millones de grados y a todo el mundo le da igual...

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