La fusión nuclear es el método a través del cual nuestro sol genera energía a partir de núcleos atómicos. La fusión nuclear es un método de liberación de energía mediante la combinación de núcleos. La palabra ‘fusión’ debería darte una pista de que las cosas se están fusionando o uniendo. No confunda la fusión nuclear con la fisión nuclear, que es la descomposición de los núcleos atómicos en fragmentos diminutos. Las plantas de energía nuclear emplean la fisión nuclear aquí mismo en la Tierra. El sol, por otro lado, emplea la fusión nuclear.
La reacción en la que cuatro núcleos de hidrógeno se unen para formar un núcleo de helio más ligero es la reacción de fusión nuclear más importante que deben comprender los humanos. Existe un solo protón en un núcleo de hidrógeno, mientras que existen dos protones y dos neutrones en un núcleo de helio. El núcleo de helio tiene menos masa que los cuatro núcleos de hidrógeno cuando nuestro sol los fusiona. Esta pérdida de masa se transforma en energía.
Esta reacción se puede resumir usando la ecuación simple presentada anteriormente. Puedes ver cómo cuatro protones de hidrógeno se unen para formar helio y energía allí. Desafortunadamente, esto es una simplificación excesiva. La verdad es significativamente más complicada, y hoy veremos parte de ella. Creo que acabo de escuchar un gruñido.
¿Qué es la Fusión Nuclear?
Un proceso en el que dos núcleos muy ligeros (A≤8) se combinan para formar un núcleo con un número de masa mayor junto con la liberación simultánea de una gran cantidad de energía se denomina fusión nuclear.
Por ejemplo:
- Cuando dos núcleos de deuterio 1 H 2 se fusionan, se forman los siguientes productos:
1 H 2 + 1 H 2 ⇢ 2 He 3 + 0 n 1 + Q
- Cuando cuatro núcleos de hidrógeno (1H1) se fusionan, se forman los siguientes productos:
4 1 H 1 ⇢ 2 He 4 + 2 + 1 e 0 + 2v + Q
Generación de energía en estrellas
Se ha calculado que el sol irradia energía a razón de unos 10 26 J por segundo. El sol está irradiando a este ritmo durante varios millones de años. Las fuentes de energía del sol no pueden ser las reacciones químicas porque la energía liberada en las reacciones químicas no puede durar tanto tiempo. También se ha encontrado que el hidrógeno y el helio constituyen alrededor del 90% de la masa del sol y el 10% son otros elementos. Dado que los elementos pesados presentes en el sol son muy pequeños en cantidad, la fuente de energía del sol no puede ser la fisión nuclear.
Las reacciones de fusión son la fuente de energía en el sol y las estrellas, en cuyo interior la temperatura es del orden de 10 7 -10 8K . El proceso básico de producción de energía en el sol es la fusión de núcleos de hidrógeno y lo mismo ocurre con muchas otras estrellas.
Hans Bethe en 1939 sugirió que la fuente de energía estelar son las reacciones termonucleares. Propuso que las reacciones termonucleares que tienen lugar en el sol y otras estrellas siguen dos series diferentes de procesos.
Ciclo protón-protón
Es una reacción termonuclear en la que las colisiones directas de protones dan como resultado la formación de núcleos pesados.
En el ciclo protón-protón, la fusión de cuatro núcleos de hidrógeno ( 1 H 1 ) en un núcleo de helio ( 2 He 4 ) tiene lugar en los siguientes pasos:
1 H 1 + 1 H 1 ⇢ 1 H 2 + 1 e 0 + v + 0,42 MeV
1 H 2 + 1 H 1 ⇢ 2 He 3 + γ + 5,49 MeV
2 He 3 + 2 He 3 ⇢ 2 He 4 + 2 1 H 1 +12.86 Mev
Las combinaciones anteriores dan
4 1 H 1 ⇢ 2 He 4 +2 1 e 0 +2v +2γ + 24.68MeV
Por lo tanto, el efecto neto de la secuencia del ciclo de protones es que cuatro protones ( 1 H 1 ) se combinan para formar un núcleo de helio ( 2 He 4 ) más dos positrones ( 1 e 0 , es decir, β + ) dos rayos gamma (γ) y dos neutrinos con una liberación de unos 25 MeV de energía. El ciclo protón-protón es dominante a temperaturas ~10 7 K.
Ciclo del nitrógeno del carbono
Es una reacción termonuclear en la que los núcleos de carbono absorben una sucesión de protones hasta que emiten partículas alfa para convertirse nuevamente en núcleos de carbono para repetir el ciclo indefinidamente.
Inicios del ciclo Carbono-Nitrógeno que tienen interiores más calientes Predomina el ciclo del carbono. El resultado neto de este ciclo nuevamente es la formación de un núcleo de helio, dos positrones, dos rayos γ y dos neutrinos a partir de 4 protones con la evaluación de 24,68 MeV.
La secuencia de reacciones nucleares es la siguiente:
6 C 12 + 1 H 1 ⇢ 7 N 13 + Q 1 (MeV)
7 N 13 ⇢ 6 C 13 + 1 e 0 +v
6 C 13 + 1 H 1 ⇢ 7 N 14 + Q 2 (MeV)
7 N 14 + 1 H 1 ⇢ 8 O 15 + Q 3 (MeV)
8 O 15 ⇢ 7 N 15 + 1 e 0 +v
7 N 15 + 1 H 1 ⇢ 6 C 12 + 2 He 4
Energía total liberada en este ciclo = 24,68MeV
Las combinaciones anteriores dan:
4 1 H 1 ⇢ 2 He 4 + 2 1 e 0 + 2v +2γ +24.68MeV
El 6 C 12 inicial actúa como una especie de catalizador del proceso ya que reaparece al final. Las reacciones termonucleares mencionadas anteriormente tienen lugar en el sol y otras estrellas y, por lo tanto, son la fuente de energía en el sistema solar.
Por tanto, la energía liberada por la fusión es mayor que la energía liberada por la fisión.
Ejemplos de preguntas
Pregunta 1: ¿Todas las reacciones de fusión son exoérgicas?
Responder:
Las reacciones de fusión entre núcleos suficientemente ligeros son exoérgicas porque aumenta el BE/A. Sin embargo, si los núcleos son demasiado masivos, BE/A disminuye si la fusión es endoérgica. (Es decir, absorbe energía en lugar de liberarla).
Pregunta 2: ¿Por qué es difícil realizar la fusión nuclear terrestre?
Responder:
- La temperatura extremadamente alta requerida para iniciar la fusión nuclear no se puede realizar fácilmente.
- Los núcleos que se fusionan en la fusión nuclear están a temperaturas muy altas y no pueden ser contenidos ya que ningún recipiente permanece en estado sólido a esta temperatura.
Pregunta 3: Una reacción de fusión es más energética que una reacción de fisión. Comentario.
Responder:
Dado que la energía liberada por la reacción de fusión es mayor que la energía liberada por la reacción de fisión, la reacción de fusión es más energética que la reacción de fisión.
Pregunta 4: Se necesita una temperatura muy alta para iniciar una reacción de fusión nuclear. ¿Explicar por qué?
Responder:
Cuando dos núcleos se fusionan, el proceso se llama fusión nuclear. Dos núcleos con carga positiva se repelen a medida que se acercan. Para superar esta fuerza de repulsión para fusionarse, estos dos núcleos deben tener una gran energía cinética. Esta gran energía cinética se puede alcanzar a una temperatura muy alta.
La fusión nuclear se puede llevar a cabo a temperaturas extremadamente altas (∼10 7 ). Dado que no se puede generar tanta temperatura en ningún horno, no se puede iniciar la fusión nuclear. Además, si esta cantidad de temperatura se genera por explosión atómica, entonces es difícil contener el material utilizado en la fusión. Debido a estas dificultades, la fusión nuclear no puede llevarse a cabo fácilmente.
Pregunta 5: ¿Por qué no es posible la fusión nuclear en el laboratorio?
Responder:
Debido a la temperatura muy alta (∼10 7 ) que se necesita para la fusión nuclear, no se puede lograr mediante ningún método conocido en el laboratorio.
Publicación traducida automáticamente
Artículo escrito por anisharachel2012 y traducido por Barcelona Geeks. The original can be accessed here. Licence: CCBY-SA