Fisión nuclear y fusión

Fusión nuclear y Fisión nuclear son diferentes tipos de reacciones que liberan energía debido a la presencia de enlaces atómicos de alta potencia entre las partículas que se encuentran dentro de un núcleo. En la fisión, un átomo se divide en dos o más átomos más pequeños y livianos. La fusión, en cambio, ocurre cuando dos o más átomos más pequeños se fusionan, creando un átomo más grande y más pesado..

Gráfica comparativa

Cuadro comparativo de fisión nuclear versus fusión nuclear

	Fisión nuclear	Fusión nuclear
Definición	La fisión es la división de un átomo grande en dos o más pequeños.	La fusión es la fusión de dos o más átomos más ligeros en uno más grande.
Acontecimiento natural del proceso.	La reacción de fisión no ocurre normalmente en la naturaleza..	La fusión se produce en las estrellas, como el sol..
Subproductos de la reacción.	La fisión produce muchas partículas altamente radiactivas..	Pocas partículas radiactivas se producen por reacción de fusión, pero si se usa un "disparador" de fisión, las partículas radiactivas resultarán de eso.
Condiciones	Se requiere masa crítica de la sustancia y neutrones de alta velocidad..	Se requiere alta densidad, ambiente de alta temperatura.
Requerimiento de energía	Toma poca energía para dividir dos átomos en una reacción de fisión.	Se requiere energía extremadamente alta para llevar dos o más protones lo suficientemente cerca como para que las fuerzas nucleares superen su repulsión electrostática.
Energía liberada	La energía liberada por la fisión es un millón de veces mayor que la liberada en las reacciones químicas, pero más baja que la energía liberada por la fusión nuclear..	La energía liberada por la fusión es tres o cuatro veces mayor que la energía liberada por la fisión..
Arma nuclear	Una clase de arma nuclear es una bomba de fisión, también conocida como bomba atómica o bomba atómica..	Una clase de arma nuclear es la bomba de hidrógeno, que utiliza una reacción de fisión para "desencadenar" una reacción de fusión..
Producción de energía	La fisión se utiliza en centrales nucleares..	Fusion es una tecnología experimental para producir energía..
Combustible	El uranio es el principal combustible utilizado en las centrales eléctricas..	Los isótopos de hidrógeno (deuterio y tritio) son el combustible principal utilizado en las plantas de energía de fusión experimental..

Contenidos: Fisión Nuclear y Fusión.

• 1. Definiciones
• 2 Fisión vs Fusión Física
  • 2.1 Condiciones para la fisión y la fusión
  • 2.2 Reacción en cadena
  • 2.3 Razones de energía
• 3 uso de energía nuclear
  • 3.1 Preocupaciones
  • 3.2 Residuos nucleares
• 4 ocurrencia natural
• 5 efectos
• 6 Uso de armas nucleares
• 7 costo
• 8 referencias

Definiciones

Fusión de deuterio con tritio creando helio-4, liberando un neutrón y liberando 17.59 MeV de energía..

La fusión nuclear es la reacción en la que se combinan dos o más núcleos, formando un nuevo elemento con un número atómico más alto (más protones en el núcleo). La energía liberada en la fusión está relacionada con E = mc. ² (La famosa ecuación de energía-masa de Einstein). En la Tierra, la reacción de fusión más probable es la reacción de deuterio-tritio. Deuterio y tritio son isótopos del hidrógeno..

² ₁Deuterio + ³ ₁Tritio = ⁴₂Él + ¹₀norte + 17.6 MeV

[Imagen: reacción de fisión.svg | pulgar | ninguno | Reacción de fisión]]

La fisión nuclear es la división de un núcleo masivo en fotones en forma de rayos gamma, neutrones libres y otras partículas subatómicas. En una reacción nuclear típica que involucra ²³⁵U y un neutrón:

²³⁵₉₂U + norte = ²³⁶₉₂U

seguido por

²³⁶₉₂U = ¹⁴⁴₅₆Licenciado en Letras + ⁸⁹ ₃₆Kr + 3norte + 177 MeV

Fisión vs Fusión Física

Los átomos se mantienen unidos por dos de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza: los enlaces nucleares débiles y fuertes. La cantidad total de energía contenida dentro de los enlaces de los átomos se llama energía de enlace. Cuanta más energía de enlace se mantiene dentro de los enlaces, más estable es el átomo. Además, los átomos intentan volverse más estables al aumentar su energía de enlace..

El nucleón de un átomo de hierro es el nucleón más estable que se encuentra en la naturaleza, y no se fusiona ni divide. Esta es la razón por la cual el hierro está en la parte superior de la curva de energía de enlace. Para núcleos atómicos más livianos que el hierro y el níquel, la energía puede ser extraída por combinatorio Núcleos de hierro y níquel unidos por fusión nuclear. En contraste, para los núcleos atómicos más pesados ​​que el hierro o el níquel, la energía puede ser liberada por terrible Los núcleos pesados ​​a través de la fisión nuclear..

La idea de dividir el átomo surgió del trabajo del físico británico Ernest Rutherford, nacido en Nueva Zelanda, que también llevó al descubrimiento del protón..

Condiciones para la fisión y fusión

La fisión solo puede ocurrir en grandes isótopos que contienen más neutrones que protones en sus núcleos, lo que conduce a un ambiente ligeramente estable. Aunque los científicos aún no entienden completamente por qué esta inestabilidad es tan útil para la fisión, la teoría general es que la gran cantidad de protones crea una fuerza repulsiva fuerte entre ellos y que muy pocos o demasiados neutrones crean "brechas" que causan el debilitamiento de El enlace nuclear, que conduce a la descomposición (radiación). Estos grandes núcleos con más "huecos" se pueden "dividir" por el impacto de los neutrones térmicos, llamados neutrones "lentos".

Las condiciones deben ser correctas para que ocurra una reacción de fisión. Para que la fisión sea autosuficiente, la sustancia debe alcanzar una masa crítica, la cantidad mínima de masa requerida; no alcanzar la masa crítica limita la duración de la reacción a meros microsegundos. Si se alcanza una masa crítica demasiado rápido, lo que significa que se liberan demasiados neutrones en nanosegundos, la reacción se vuelve puramente explosiva y no se producirá una potente liberación de energía..

Los reactores nucleares son en su mayoría sistemas de fisión controlados que usan campos magnéticos para contener neutrones perdidos; esto crea una proporción de 1: 1 de la liberación de neutrones, lo que significa que un neutrón emerge del impacto de un neutrón. Dado que este número variará en proporciones matemáticas, bajo lo que se conoce como distribución gaussiana, el campo magnético debe mantenerse para que el reactor funcione, y las barras de control deben usarse para disminuir o acelerar la actividad de los neutrones..

La fusión ocurre cuando dos elementos más ligeros son forzados por una enorme energía (presión y calor) hasta que se fusionan en otro isótopo y liberan energía. La energía necesaria para iniciar una reacción de fusión es tan grande que se necesita una explosión atómica para producir esta reacción. Aún así, una vez que comienza la fusión, en teoría puede continuar produciendo energía siempre que se controle y se suministren los isótopos básicos de fusión..

La forma más común de fusión, que ocurre en las estrellas, se llama "fusión D-T", en referencia a dos isótopos de hidrógeno: deuterio y tritio. El deuterio tiene 2 neutrones y el tritio tiene 3, más que el protón del hidrógeno. Esto facilita el proceso de fusión, ya que solo es necesario superar la carga entre dos protones, ya que la fusión de los neutrones y el protón requiere superar la fuerza repelente natural de las partículas con carga similar (los protones tienen una carga positiva, en comparación con la falta de carga de los neutrones ) y una temperatura, por un instante, de cerca de 81 millones de grados Fahrenheit para la fusión DT (45 millones de grados Kelvin o algo menos en grados Celsius). A modo de comparación, la temperatura central del sol es de aproximadamente 27 millones de F (15 millones de C).^[1]

Una vez que se alcanza esta temperatura, la fusión resultante debe ser contenida el tiempo suficiente para generar plasma, uno de los cuatro estados de la materia. El resultado de tal contención es una liberación de energía de la reacción D-T, que produce helio (un gas noble, inerte para cada reacción) y neutrones de reserva que pueden "sembrar" hidrógeno para más reacciones de fusión. En la actualidad, no hay formas seguras de inducir la temperatura de fusión inicial o contener la reacción de fusión para lograr un estado de plasma estable, pero se están realizando esfuerzos..

Un tercer tipo de reactor se llama reactor reproductor. Funciona utilizando fisión para crear plutonio que puede sembrar o servir como combustible para otros reactores. Los reactores reproductores se usan ampliamente en Francia, pero son prohibitivamente caros y requieren medidas de seguridad significativas, ya que la salida de estos reactores se puede usar para fabricar armas nucleares también..

Reacción en cadena

Las reacciones nucleares de fisión y fusión son reacciones en cadena, lo que significa que un evento nuclear causa al menos otra reacción nuclear, y típicamente más. El resultado es un ciclo creciente de reacciones que pueden descontrolarse rápidamente. Este tipo de reacción nuclear puede ser múltiples divisiones de isótopos pesados ​​(por ejemplo,. ²³⁵ U) o la fusión de isótopos de luz (por ejemplo,. ²H y ³H).

Las reacciones en cadena de la fisión ocurren cuando los neutrones bombardean isótopos inestables. Este tipo de proceso de "impacto y dispersión" es difícil de controlar, pero las condiciones iniciales son relativamente simples de lograr. Una reacción en cadena de fusión se desarrolla solo bajo condiciones extremas de presión y temperatura que permanecen estables por la energía liberada en el proceso de fusión. Tanto las condiciones iniciales como los campos de estabilización son muy difíciles de realizar con la tecnología actual..

Ratios energéticos

Las reacciones de fusión liberan 3 a 4 veces más energía que las reacciones de fisión. Aunque no hay sistemas de fusión basados ​​en la Tierra, la salida del sol es típica de la producción de energía de fusión, ya que convierte constantemente los isótopos de hidrógeno en helio, emitiendo espectros de luz y calor. La fisión genera su energía al descomponer una fuerza nuclear (la fuerte) y liberar enormes cantidades de calor que las que se utilizan para calentar el agua (en un reactor) para luego generar energía (electricidad). La fusión supera 2 fuerzas nucleares (fuertes y débiles), y la energía liberada se puede utilizar directamente para alimentar un generador; por lo tanto, no solo se libera más energía, también se puede aprovechar para una aplicación más directa.

Uso de energía nuclear

El primer reactor nuclear experimental para la producción de energía comenzó a funcionar en Chalk River, Ontario, en 1947. La primera instalación de energía nuclear en los EE. UU., El Reactor-1 Experimental Breeder, se lanzó poco después, en 1951; Podría encender 4 bombillas. Tres años más tarde, en 1954, los Estados Unidos lanzaron su primer submarino nuclear, los Estados Unidos. Nautilus, mientras que Estados Unidos lanzó el primer reactor nuclear del mundo para la generación de energía a gran escala, en Obninsk. Los Estados Unidos inauguraron su planta de producción de energía nuclear un año después, iluminando Arco, Idaho (pop. 1,000).

La primera instalación comercial para la producción de energía utilizando reactores nucleares fue la planta de Calder Hall, en Windscale (ahora Sellafield), Gran Bretaña. También fue el sitio del primer accidente relacionado con la energía nuclear en 1957, cuando se produjo un incendio debido a fugas de radiación..

La primera planta nuclear de EE. UU. A gran escala se abrió en Shippingport, Pensilvania, en 1957. Entre 1956 y 1973, se lanzaron cerca de 40 reactores nucleares de producción de energía en los EE. UU., La unidad más grande de la central nuclear de Zion en Illinois, con una Capacidad de 1.155 megavatios. Ningún otro reactor ordenado desde que entró en funcionamiento, aunque otros se lanzaron después de 1973.

Los franceses lanzaron su primer reactor nuclear, el Phénix, capaz de producir 250 megavatios de potencia, en 1973. El reactor más poderoso que produce energía en los EE. UU. (1.315 MW) se inauguró en 1976, en la central eléctrica de Trojan en Oregón. Para 1977, los EE. UU. Tenían 63 plantas nucleares en operación, que satisfacían el 3% de las necesidades energéticas de la nación. Otros 70 estaban programados para entrar en línea en 1990.

La Unidad Dos en Three Mile Island sufrió una fusión parcial, liberando gases inertes (xenón y criptón) en el medio ambiente. El movimiento antinuclear se fortaleció por los temores que causó el incidente. Los temores se alimentaron aún más en 1986, cuando la Unidad 4 en la planta de Chernobyl en Ucrania sufrió una reacción nuclear descontrolada que explotó las instalaciones, propagando material radioactivo en toda la zona y en gran parte de Europa. Durante la década de 1990, Alemania y especialmente Francia ampliaron sus plantas nucleares, centrándose en reactores más pequeños y, por lo tanto, más controlables. China lanzó sus primeras 2 instalaciones nucleares en 2007, produciendo un total de 1,866 MW..

Si bien la energía nuclear ocupa el tercer lugar detrás del carbón y la energía hidroeléctrica en la potencia mundial producida, el impulso para cerrar las plantas nucleares, junto con el aumento de los costos para construir y operar tales instalaciones, ha creado un retroceso en el uso de la energía nuclear para la energía. Francia lidera el mundo en porcentaje de electricidad producida por reactores nucleares, pero en Alemania, la energía solar ha superado a la nuclear como productora de energía..

Los Estados Unidos todavía tienen más de 60 instalaciones nucleares en operación, pero las iniciativas de votación y las edades de los reactores han cerrado plantas en Oregón y Washington, mientras que decenas más son blanco de manifestantes y grupos de protección ambiental. En la actualidad, solo China parece estar expandiendo su número de plantas nucleares, ya que busca reducir su fuerte dependencia del carbón (el factor más importante en su extremadamente alta tasa de contaminación) y buscar una alternativa a la importación de petróleo..

Preocupaciones

El miedo a la energía nuclear proviene de sus extremos, como arma y fuente de energía. La fisión de un reactor crea material de desecho que es inherentemente peligroso (ver más abajo) y podría ser adecuado para bombas sucias. Aunque varios países, como Alemania y Francia, tienen excelentes antecedentes en sus instalaciones nucleares, otros ejemplos menos positivos, como los que se ven en Three Mile Island, Chernobyl y Fukushima, han hecho que muchos se muestren reacios a aceptar la energía nuclear, aunque es mucho Más seguro que el combustible fósil. Los reactores de fusión podrían algún día ser la fuente de energía asequible y abundante que se necesita, pero solo si se pueden resolver las condiciones extremas necesarias para crear y gestionar la fusión..

Desperdicios nucleares

El subproducto de la fisión es un residuo radioactivo que lleva miles de años a perder sus peligrosos niveles de radiación. Esto significa que los reactores de fisión nuclear también deben tener salvaguardas para estos desechos y su transporte a sitios de almacenamiento o descarga deshabitados. Para más información sobre esto, lea sobre la gestión de residuos radiactivos..

Ocurrencia natural

En la naturaleza, la fusión se produce en las estrellas, como el sol. En la Tierra, la fusión nuclear se logró por primera vez en la creación de la bomba de hidrógeno. La fusión también se ha utilizado en diferentes dispositivos experimentales, a menudo con la esperanza de producir energía de manera controlada..

Por otro lado, la fisión es un proceso nuclear que normalmente no ocurre en la naturaleza, ya que requiere una gran masa y un neutrón incidente. Aun así, ha habido ejemplos de fisión nuclear en reactores naturales. Esto se descubrió en 1972 cuando se descubrió que los depósitos de uranio de una mina de Oklo, Gabón, habían sufrido una reacción de fisión natural hace unos 2 mil millones de años..

Efectos

En resumen, si una reacción de fisión se sale de control, explota o el reactor que la genera se funde en una gran pila de escoria radiactiva. Tales explosiones o derrumbes liberan toneladas de partículas radiactivas en el aire y en cualquier superficie adyacente (tierra o agua), contaminándolas cada minuto que la reacción continúa. En contraste, una reacción de fusión que pierde el control (se desequilibra) disminuye y disminuye la temperatura hasta que se detiene. Esto es lo que les sucede a las estrellas cuando queman su hidrógeno en helio y pierden estos elementos durante miles de siglos de expulsión. La fusión produce pocos residuos radioactivos. Si hay algún daño, ocurrirá en el entorno inmediato del reactor de fusión y poco más..

Es mucho más seguro usar la fusión para producir energía, pero la fisión se usa porque se necesita menos energía para dividir dos átomos que para fusionar dos átomos. Además, los desafíos técnicos involucrados en el control de las reacciones de fusión aún no se han superado..

Uso de armas nucleares

Todas las armas nucleares requieren una reacción de fisión nuclear para funcionar, pero las bombas de fisión "puras", aquellas que usan solo una reacción de fisión, se conocen como bombas atómicas o atómicas. Las bombas atómicas se probaron por primera vez en Nuevo México en 1945, durante el apogeo de la Segunda Guerra Mundial. En el mismo año, los Estados Unidos los utilizaron como un arma en Hiroshima y Nagasaki, Japón..

Desde la bomba atómica, la mayoría de las armas nucleares que han sido propuestas y / o diseñadas han mejorado la (s) reacción (es) de fisión de una forma u otra (por ejemplo, ver armas de fisión reforzadas, bombas radiológicas y bombas de neutrones). Armas termonucleares: un arma que usa ambas fisiones. y Fusión basada en hidrógeno: es uno de los avances en armas más conocidos. Aunque la idea de un arma termonuclear se propuso ya en 1941, no fue hasta principios de la década de 1950 cuando se probó por primera vez la bomba de hidrógeno (bomba H). A diferencia de las bombas atómicas, las bombas de hidrógeno tienen no utilizado en la guerra, solo probado (por ejemplo, ver Tsar Bomba).

Hasta la fecha, ninguna arma nuclear hace uso de la fusión nuclear sola, aunque los programas de defensa del gobierno han puesto una considerable investigación sobre esta posibilidad.

Costo

La fisión es una forma poderosa de producción de energía, pero viene con ineficiencias incorporadas. El combustible nuclear, generalmente uranio-235, es costoso de extraer y purificar. La reacción de fisión crea calor que se utiliza para hervir el agua para que el vapor gire una turbina que genera electricidad. Esta transformación de energía térmica a eléctrica es incómoda y costosa. Una tercera fuente de ineficiencia es que la limpieza y el almacenamiento de los desechos nucleares es muy costoso. Los residuos son radiactivos, requieren una eliminación adecuada y la seguridad debe ser estricta para garantizar la seguridad pública.

Para que se produzca la fusión, los átomos deben confinarse en el campo magnético y elevarse a una temperatura de 100 millones de grados Kelvin o más. Esto requiere una enorme cantidad de energía para iniciar la fusión (se piensa que las bombas atómicas y los láseres proporcionan esa "chispa"), pero también existe la necesidad de contener adecuadamente el campo de plasma para la producción de energía a largo plazo. Los investigadores todavía están intentando superar estos desafíos porque fusionar es un sistema de producción de energía más seguro y poderoso que la fisión, lo que significa que en última instancia costaría menos que la fisión..

Referencias

• Fisión y Fusión - Brian Swarthout en YouTube
• Cronología de la historia nuclear - Base de datos de educación en línea
• Estabilidad nuclear y números mágicos - UC Davis ChemWiki
• Wikipedia: Fusión nuclear.
• Wikipedia: Fisión nuclear.