Fisión y fusión nuclear

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 encontradas dentro de un núcleo. En fisión, un átomo se divide en dos o más átomos más pequeños y más ligeros. La fusión, en contraste, ocurre cuando dos o más átomos más pequeños se fusionan, creando un átomo más grande y pesado.

Cuadro comparativo

Definiciones

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 fusión está relacionada con E = MC ² (La famosa ecuación de masas de energía de Einstein). En la tierra, la reacción de fusión más probable es la reacción de deuterio-tritium. Deuterio y tritio son isótopos de hidrógeno.

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

[Imagen: reacción de fisión.svg | pulgar | no | 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 implica ²³⁵U y un neutrón:

²³⁵₉₂U + norte = ²³⁶₉₂U

seguido por

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

Fisión VS. Física de fusión

Dos de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza mantienen unidos los átomos: los enlaces nucleares débiles y fuertes. La cantidad total de energía mantenida dentro de los enlaces de los átomos se denomina energía de unión. Cuanta energía más unida mantenida dentro de los enlaces, más estable es el átomo. Además, los átomos intentan volverse más estables aumentando su energía vinculante.

El nucleón de un átomo de hierro es el nucleón más estable que se encuentra en la naturaleza, y no se fusiona ni se divide. Es por eso que el hierro está en la parte superior de la curva de energía de unión. Para los núcleos atómicos más ligeros que el hierro y el níquel, se puede extraer energía por combinatorio Núcleos de hierro y níquel a través de la 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 noción de dividir el átomo surgió del trabajo del físico británico nacido en Nueva Zelanda, Ernest Rutherford, que también condujo al descubrimiento del protón.

Condiciones para fisión y fusión

La fisión solo puede ocurrir en isótopos grandes que contienen más neutrones que protones en sus núcleos, lo que conduce a un entorno 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 crean una fuerte fuerza repulsiva entre ellos y que muy pocos o demasiados neutrones crean "huecos" que causan debilitamiento de el enlace nuclear, que conduce a la descomposición (radiación). Estos grandes nucleii con más "huecos" pueden "dividirse" 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 la masa crítica, la cantidad mínima de masa requerida; Al final de la masa crítica, la longitud de la reacción a los simples microsegundos. Si la masa crítica se alcanza demasiado rápido, lo que significa que se liberan demasiados neutrones en nanosegundos, la reacción se vuelve puramente explosiva y no se producirá una liberación de energía poderosa.

Los reactores nucleares son en su mayoría sistemas de fisión controlados que usan campos magnéticos para contener neutrones callejeros; Esto crea una relación aproximadamente 1: 1 de liberación de neutrones, lo que significa que un neutrón emerge del impacto de un neutrón. Como 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 reducir la velocidad o acelerar la actividad de 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 comenzar 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 suministran los isótopos de fusión básicos.

La forma más común de fusión, que ocurre en las estrellas, se llama "D-T Fusion", que se refiere a dos isótopos de hidrógeno: Deuterium y Tritium. Deuterium tiene 2 neutrones y el tritio tiene 3, más que el protón de hidrógeno. Esto hace que el proceso de fusión sea más fácil, ya que solo la carga entre dos protones debe superarse, porque fusionar los neutrones y el protón requiere superar la fuerza repelente natural de las partículas cargadas (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 D -T Fusion (45 millones de Kelvin o un poco menos en Celsius). A modo de comparación, la temperatura central del sol es de aproximadamente 27 millones F (15 millones de C).^[1]

Una vez que se alcanza esta temperatura, la fusión resultante debe estar contenida el tiempo suficiente para generar plasma, uno de los cuatro estados de la materia. El resultado de dicha contención es una liberación de energía de la reacción D-T, que produce helio (un gas noble, inerte a cada reacción) y neutrones de repuesto que puede "semilla" de hidrógeno para obtener 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 los esfuerzos están en curso en curso.

Un tercer tipo de reactor se llama reactor de criador. Funciona utilizando fisión para crear plutonio que pueda semillas o servir como combustible para otros reactores. Los reactores de los criadores se usan ampliamente en Francia, pero son prohibitivamente costosos y requieren medidas de seguridad significativas, ya que la producción de estos reactores también puede usarse para fabricar armas nucleares.

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 volverse rápidamente sin control. Este tipo de reacción nuclear puede ser múltiples divisiones de isótopos pesados ​​(E.gramo. ²³⁵ U) o la fusión de isótopos de luz (e.gramo. ²Mano ³H).

Las reacciones de la cadena de 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 en 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 llevar a cabo con la tecnología actual.

Proporciones de energía

Las reacciones de fusión se liberan 3-4 veces más energía que las reacciones de fisión. Aunque no hay sistemas de fusión basados ​​en la Tierra, la producción del sol es típica de la producción de energía de fusión, ya que constantemente convierte los isótopos de hidrógeno en helio, emitiendo espectros de luz y calor. La fisión genera su energía descomponiendo una fuerza nuclear (la fuerte) y liberando enormes cantidades de calor que las que se usan 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 puede usarse directamente para alimentar un generador; Entonces, no solo se libera más energía, sino que 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 operar en Chalk River, Ontario, en 1947. La primera instalación de energía nuclear en la U.S., El criador experimental Reactor-1, se lanzó poco después, en 1951; podría encender 4 bombillas. Tres años después, en 1954, la u.S. lanzó su primer submarino nuclear, el u.S.S. Nautilus, mientras que el u.S.S.Riñonal. Lanzó el primer reactor nuclear del mundo para la generación de energía a gran escala, en Obninsk. El u.S. inauguró su instalación 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 nuclear en 1957, cuando estalló un incendio debido a fugas de radiación.

La primera a gran escala u.S. La planta nuclear abierta en Shippingport, Pensilvania, en 1957. Entre 1956 y 1973, se lanzaron casi 40 reactores nucleares de producción de energía en la U.S., El más grande es la Unidad uno de la estación de energía nuclear de Zion en Illinois, con una capacidad de 1,155 megavatios. Ningún otro reactores ordenados desde que se han puesto en línea, 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 productor de energía más potente en la u.S. (1.315 MW) abrió en 1976, en la planta de energía de Troya en Oregon. En 1977, la u.S. tenía 63 plantas nucleares en funcionamiento, proporcionando 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 crisis parcial, liberando gases inerte (Xenon y Krypton) al medio ambiente. El movimiento antinuclear ganó fuerza por los temores que causó el incidente. Los temores fueron alimentados aún más en 1986, cuando la Unidad 4 en la planta de Chernobyl en Ucrania sufrió una reacción nuclear fugitiva que explotó la instalación, extendiendo material radiactivo en toda el área y una 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.

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

El u.S. Todavía tiene más de 60 instalaciones nucleares en funcionamiento, pero las iniciativas de votación y las edades de reactores han cerrado plantas en Oregon y Washington, mientras que docenas más son atacados por 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 principal en su tasa de contaminación extremadamente alta) y busca una alternativa para importar petróleo.

Preocupaciones

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

Desperdicios nucleares

El subproducto de la fisión son los desechos radiactivos que tardan miles de años en perder sus peligrosos niveles de radiación. Esto significa que los reactores de fisión nuclear también deben tener salvaguardas para este desperdicio y su transporte a un almacenamiento o sitios de vertedero deshabitados. Para obtener más información sobre esto, lea sobre la gestión de los desechos radiactivos.

Ocurrencia natural

En la naturaleza, la fusión ocurre en 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 un Oklo, Gabón, el mío, una vez sostuvo una reacción de fisión natural hace unos 2 mil millones de años.

Efectos

En resumen, si una reacción de fisión se sale de control, se explota o el reactor que lo genera se derrite en una gran pila de escoria radiactiva. Dichas explosiones o crisis liberan toneladas de partículas radiactivas en el aire y cualquier superficie vecina (tierra o agua), contaminándola cada minuto continúa la reacción. Por el contrario, una reacción de fusión que pierde el control (se ve desequilibrada) ralentiza la temperatura hasta que se detiene. Esto es lo que sucede con las estrellas mientras queman su hidrógeno en helio y pierden estos elementos durante miles de siglos de expulsión. La fusión produce pequeños desechos radiactivos. Si hay algún daño, le sucederá al 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 al trabajo, pero las bombas de fisión "pura", las que usan una reacción de fisión solo, se conocen como atómicas o átomos, bombas. Las bombas de átomos se probaron por primera vez en Nuevo México en 1945, durante el apogeo de la Segunda Guerra Mundial. En el mismo año, Estados Unidos los usó como arma en Hiroshima y Nagasaki, Japón.

Desde la bomba atómica, la mayoría de las armas nucleares que han sido propuestas y modificadas han mejorado la (s) reacción (s) de fisión de una forma u otra (e.gramo., Ver arma de fisión impulsada, bombas radiológicas y bombas de neutrones). Arma termonuclear: un arma que usa ambos fisión y Fusión a base de hidrógeno: es uno de los avances de armas más conocidos. Aunque se propuso la noción de un arma termonuclear ya en 1941, no fue hasta principios de la década de 1950 que se probó por primera vez la bomba de hidrógeno (H-Bomb). A diferencia de las bombas de átomos, las bombas de hidrógeno han no se ha utilizado en la guerra, solo probado (e.gramo., ver zar bomba).

Hasta la fecha, ningún arma nuclear hace uso de la fusión nuclear, aunque los programas de defensa gubernamentales han puesto una investigación considerable sobre tal 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 usa para hervir agua para que el vapor gire una turbina que genera electricidad. Esta transformación de la energía térmica a la energía eléctrica es engorrosa y costosa. Una tercera fuente de ineficiencia es que la limpieza y el almacenamiento de desechos nucleares son muy costosos. Los desechos son radiactivos, que requieren una eliminación adecuada, y la seguridad debe ser ajustada para garantizar la seguridad pública.

Para que ocurra la fusión, los átomos deben limitarse en el campo magnético y elevarse a una temperatura de 100 millones de kelvin o más. Esto requiere una enorme cantidad de energía para iniciar la fusión (se cree que las bombas de átomos 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 tratando de superar estos desafíos porque la fusión es un sistema de producción de energía más seguro y poderoso que la fisión, lo que significa que finalmente costaría menos que la fisión.