Fisión y Fusión Nuclear

Colegio Santa Gema Galgani
Física: 4° Medio
Guía de Estudio N°9
Unidad 9 Fisión y Fusión nuclear
Profesor: Juan Pedraza
Fisión y Fusión Nuclear
Algún día en nuestro planeta se agotarán el petróleo y el gas natural.
Desde los años 40 del siglo XX, las grandes potencias están preocupadas de
conseguir energía por otros medios, en base a fuentes de energía libres de
emisiones de los gases de efecto invernadero, y la energía nuclear es una de
ellas.
La energía nuclear es una posibilidad que tiene puntos a favor y en contra. Un
problema es la capacidad tecnológica para obtener energía de los núcleos, y el
otro es poseer la tecnología para el reprocesamiento de los desechos
radiactivos o simplemente almacenarlos en un lugar seguro que no afecte a las
próximas generaciones.
1 Fisión nuclear
La fisión nuclear consiste en bombardear un núcleo pesado con un neutrón,
separarlo o fisionarlo en dos núcleos más pequeños los que a su vez liberan
neutrones para repetir el proceso, generando energía en cada uno de ellos.
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El bombardeo del uranio-235 con neutrones produce elementos de masa
menor, liberando varios neutrones y energía. Una fisión posible del U-235 es:
Este proceso libera aproximadamente 218 Mev (Mega electrón Volt) por fisión,
cantidad muy alta, si se compara con la combustión de un hidrocarburo. El
factor de producción de energía entre la fisión y la combustión química supera
el millón.
Lo notable de estas reacciones es la producción de dos isotopos de elementos
diferentes de menor masa conjuntamente con la emisión de más neutrones
que los necesarios para inducir el proceso.
Cuando un núcleo de U-235 es impactado por un neutrón, se fisiona en dos
núcleos y libera un promedio de 2,5 neutrones por evento.
Los neutrones liberados, a su vez, se transforman en proyectiles que pueden
inducir nuevas fisiones en otros núcleos de U-235 a través de una reacción en
cadena. El efecto multiplicativo de reacciones, de no mediar un sistema de
moderación, puede llegar a liberar tanta energía, que terminaría en una
violenta explosión.
Con el fin de obtener la energía en forma paulatina, la fisión debe producirse
a un nivel de autoalimentación tal, que al menos de cada fisión emerja un
neutrón que induzca otra fisión. Para que esto ocurra se requiere de un mínimo
de material fisionable, llamado masa critica. Si la masa de material es
demasiado pequeña, muchos neutrones abandonan la muestra antes de tener
oportunidad de ser absorbidos por otros núcleos. Esto ultimo corresponde a un
estado subcrítico, ya que en promedio cada fisión produce menos de un
neutrón-proyectil, lo que en definitiva tiende al cese de la reacción. Si la masa
es demasiado grande, estado llamado de masa supercrítica, el número de
núcleos que se fisiona se multiplica rápidamente, conduciendo a una violenta
explosión.
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Reactor nuclear
La enorme cantidad de energía generada en un reactor de fisión nuclear se usa
en la producción de electricidad. A fines de los años 50 se pusieron en marcha
las primeras centrales nucleares. Un reactor nuclear de fisión permite el control
de la reacción en cadena, mientras la central aprovecha la alta temperatura
generada por la fisión durante la reacción en cadena para calentar agua y
producir vapor, con el que se puede producir electricidad. En la figura adjunta
tenemos un esquema de una central nuclear. Sus partes principales son el
núcleo del reactor, un intercambiador de calor que produce vapor, una turbina
eléctrica y un condensador de vapor.
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¿Energía nuclear para Chile?
La energía solar, la eólica y la mareomotriz son altamente reconocidas por su
capacidad de generar energía eléctrica y otras formas de energía con un
impacto ambiental en cuanto a contaminación que tiende a cero.
Sin embargo, una alternativa de energía diferente se ha propuesto a las ya
mencionadas como proyecto para aminorar periodos de desabastecimiento
energético en el país: la energía nuclear.
Ventajas de la energía nuclear
Al igual que las energías renovables, la energía nuclear evita problemas que
aparecen cuando se queman los combustibles fósiles (carbón, petróleo o gas).
Uno de estos problemas es el “calentamiento global”, responsable del cambio
del clima del planeta; las llamadas lluvias acidas, que destruyen bosques y
matan a la fauna acuática; la contaminación del aire que mata a decenas de
miles de personas cada año, degradando de varias formas nuestra calidad de
vida; el efecto destructivo de la extracción masiva del carbón y el derrame del
petróleo el cual daña al sistema ecológico.
Desventajas de la energía nuclear
Para Chile, el integrarse al uso de este tipo de energía como fuente energética,
necesita de un esfuerzo económico y tecnológico, que además incluye la
formación de físicos, ingenieros y técnicos nucleares, imprescindibles para
operar las centrales; además de los médicos y paramédicos capaces de actuar
ante emergencias y, especialmente profesionales especializados en la
prevención de accidentes nucleares.
Por otro lado, una desventaja enorme esta en su misma naturaleza: la
radiactividad.
Sin la protección adecuada, algunas radiaciones electromagnéticas (como los
rayos gamma y fragmentos del núcleo del átomo) pueden penetrar en los
organismos vivos y destruir o alterar sus células. Además, esta el problema de
los residuos radiactivos. La mayoría tiene una actividad relativamente baja,
pero otros, como el combustible gastado, se mantienen altamente radiactivos
durante cientos o miles de años, por lo que es necesario almacenarlos en
instalaciones subterráneas de gran estabilidad geológica, lo que para nuestro
país —de alta actividad sísmica y volcánica— constituye un factor de riesgo
permanente en este tipo de instalaciones.
Entre los principales desechos generados en la producción de energía nuclear
se encuentra el plutonio-239, un isotopo radiactivo creado por el ser humano
para la fabricación de bombas atómicas. De tremenda toxicidad, un solo gramo
de este elemento es capaz de causar cáncer a un millón de personas y emite
radiactividad durante cerca de 250.000 años. En este sentido, nuestro país
debe realizar estudios que demuestren los beneficios y su conveniencia
energética y que sea posible operar las plantas nucleares de manera segura.
La bomba atómica
La bomba atómica es una reacción nuclear de fisión, compuesta de dos masas
subcríticas separadas de uranio-235 fisionable. Mediante acción de un
explosivo químico se juntan las dos masas y alcanzan una masa supercritica,
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que da origen a una reacción en cadena muy rápida y sin control que culmina
en una gran explosión nuclear.
La bomba que se dejo caer en Hiroshima, Japón, el 6 de agosto de 1945, libero
una energía equivalente a 12.500 toneladas de TNT (12,5 kilotones). El 9 de
agosto de 1945 se lanzo una bomba similar a base de plutonio, sobre
Nagasaki. Ambas bombas destruyeron todo en un radio de 2 km, matando
instantáneamente unas 120 mil personas y dejando mutiladas o gravemente
enfermas a otros miles.
2 Fusión Nuclear
La figura superior nos muestra una Fusión Nuclear, dos elementos livianos, el
deuterio y el tritio colisionan y forman un elemento más pesado, helio con
emisión de gran cantidad de energía.
El proceso es complejo porque requiere de una enorme energía de activación a
una temperatura del orden de los millones de grados.
Una segunda dificultad es la la estructura material de un reactor que no se
funda teniendo en su interior un medio de tan elevada temperatura.
¿Dónde ocurre normalmente la fusión de manera natural?
La fusión es la forma como las estrellas producen energía. Nuestro Sol, por
ejemplo, que consiste en un 73% de hidrogeno, 26% de helio y 1% de otros
elementos, genera energía mediante la fusión de hidrogeno hasta formar helio.
Los núcleos de hidrogeno que reaccionan en la fusión tienen cargas positivas
y, por lo tanto, experimentan repulsión electrostática en el acercamiento.
Para alcanzar la fusión, los núcleos deben chocar a velocidades muy altas, de
modo que superen la repulsión. Esto se logra con energías de 0,1 MeV o
mayores, lo que significa, en otras palabras, que la temperatura debe ser del
orden de 10 elevado a 8 K. Estas reacciones también se conocen como
reacciones termonucleares. A estas temperaturas los átomos pierden sus
electrones, lo que da como resultado una mezcla gaseosa de iones positivos,
neutrones y de electrones, que se mueven libremente. Esta forma de materia
se denomina plasma.
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Desde hace unos años se desarrollan intensas investigaciones para producir
energía en el laboratorio mediante fusión nuclear. Las dificultades son
enormes:
a) Como lograr elevadas temperaturas que inicien la fusión. Además de una
elevada temperatura, se requiere una presión alta que mantenga una
alta densidad de partículas /cm3. Una bomba atómica podría llegar a la
temperatura deseada; pero, .como se controlaría la explosión?
b) El control de la liberación de la energía termonuclear debe ser
autosustentable (mantenerse por si solo), para lo cual las condiciones de
temperatura y densidad deben mantenerse por lo menos un segundo.
Posteriormente, el proceso continuaría por si solo, liberando una
cantidad de energía mayor que la que se ha usado en el encendido.
c) Un problema aún mayor es el diseño de un contenedor efectivo para el
plasma, puesto que cualquier material se vaporiza al instante,
produciendo disminución de la temperatura. Una manera de evitar el
contacto del plasma con otra forma de materia es la generación de
campos magnéticos que aíslen el plasma caliente.
Las investigaciones han llevado a la construcción de un reactor de fusión
llamado Tokamak, diseñado para aislar el plasma sin tocar las paredes,
utilizando un fuerte campo magnético
Origen de los elementos en las estrellas
Se estima que el Universo empezó a gestarse en una gran explosión (“Big
Bang”) que se considera como el inicio del tiempo.
Según el modelo aceptado, la gran explosión comenzó en una esfera
infinitamente pequeña.
Se estima que esta esfera tenia un diámetro de 10 elevado a –28 cm, una
densidad de 10 elevado a 96 g/mL y una temperatura de 10 elevado a 32 K.
Sin duda que estas cantidades son inimaginables.
En pocos segundos, el Universo se expandió, gestando neutrones, protones y
electrones, entre otras partículas, y se redujo la temperatura a 10 elevado a
10 K.
En los minutos siguientes, el Universo se convirtió en un verdadero reactor de
fusión, creando los primeros núcleos atómicos mas pesados que los protones.
Transcurridos unos 10 minutos, mas del 10% de la masa del Universo existía
como He. Después de unos millones de años en diferentes partes del espacio
surgieron las fuerzas gravitacionales que congregaron las partículas cósmicas,
dando origen a las estrellas mas primitivas a una temperatura de 10 elevado a
7 K. En las estrellas que tienen masas de 10 a 100 veces mayores que nuestro
Sol se desarrollaron a través del tiempo una serie de etapas de formación de
elementos conjuntamente con una contracción de las estrellas. Las etapas mas
importantes son:
a) La estrella quema hidrogeno y produce helio
b) La combustión del helio produce C, O, Ne y Mg
c) Después de varios miles de millones de años se ha consumido el 10%
del hidrogeno con la consiguiente contracción y una elevación de la
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temperatura a 2 • 10 elevado a 8 K. El helio comienza a quemarse
formando núcleos mas pesados y el hidrogeno restante se desplaza a la
envoltura de la estrella aumentando su tamaño en unas 100 veces. Se
convierte en una gigante roja.
d) Luego se forman núcleos hasta Fe y Ni,
e) Transcurren otros 10 millones de años y el helio se esta agotando, pero
la cadena continua: la estrella se expande y se transforma en una
supergigante. Luego se forman los elementos pesados
¿Cuál es el origen de los elementos en la Tierra?
Cuando una estrella pasa a ser una supernova, en su parte externa se
encuentran los núcleos mas livianos (H y He) y hacia el interior, capa tras
capa, se ubican los núcleos mas pesados, concentrándose en el centro de la
estrella el hierro y níquel, que son las formas nucleares mas estables. Dado
que estos últimos dejan de ser el combustible para nuevos núcleos, se produce
una implosión nuclear (disminución de tamaño del centro de la estrella), y un
colapso gravitacional que termina en una gran explosión de la supernova.
Todos los átomos de los elementos que conocemos tienen su origen en
explosiones de supernovas, cuyas esquirlas diseminadas en el Universo
terminaron formando conglomerados de materia, que finalmente se
transformaron en planetas como el nuestro. Nuestra Tierra, con todo lo que
contiene, es un conglomerado de escombros provenientes de estrellas que
desaparecieron.
Una reflexión. Las partículas que constituyen los átomos de tu cuerpo, de tus
padres, de tus antepasados y de tu descendencia, ya se habían formado en los
primeros segundos del Universo. !Todos estábamos allí!
En la página siguiente te entregamos un cuadro resumen.
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