Química Nuclear Fusión Nuclear y La bomba de Hidrógeno 1 Introducción Definición de la energía nuclear. Energía liberada durante la fisión o fusión de núcleos atómicos. Las cantidades de energía que se obtienen superan en gran medida a las realizadas con procesos químicos, en las que sólo interactúa la región externa del átomo. Energía antes de la era nuclear. Hasta el siglo XIX el principal combustible era la leña. Se utilizan ampliamente los combustibles fósiles (carbón o petroleo). En la combustión de estos elementos los átomos de hidrógeno y carbono se combinan con los átomos de O2 produciendose una oxidación rápida y se forma agua y CO2, y se libera 1,6 kilovatios/hora por Kg de carbón. 2 El Átomo Composición. Formado por un pequeño núcleo cargado positivamente, rodeado de electrones. El núcleo está compuesto por neutrones y protones (constituyen el mayor porcentaje de masa del átomo). El número másico A expresa el número de nucleones (neutrones y protones) que contiene; el número atómico Z es el número de protones. Energía de enlace. Mide la intensidad con que las fueras nucleares mantienen ligados a los protones y los neutrones. La energía de enlace por nucleón, depende del número másico. 3 El Átomo Energía de enlace nuclear La curva de las energías de enlace nos dice que si dos núcleos ligeros, que ocupan posiciones muy bajas en la tabla, se fusionan para formar un núcleo de mayor peso (o si un núcleo pesado, que ocupa posiciones muy altas en la tabla, se divide en dos de menor peso) los núcleos resultantes están ligados con más fuerza por lo que se libera energía. 4 El Átomo Fisión nuclear: Un núcleo pesado es bombardeado por neutrones, lo que produce la división del núcleo en dos núcleos más pequeños, tal como en la reacción: 1n 0 + 235U92 140Cs 55 + 93Rb37 + 31n0 + 200 MeV Fusión nuclear: La fusión de dos núcleos ligeros libera millones de electrovoltios (MeV), como es el caso de dos núcleos de hidrógeno pesado o deuterones se combinan: 2H 1 + 2H 1 3He 2 + 1n0 + 3,2 MeV 5 Fusión Nuclear Energía mediante fusión nuclear Se produce en el extremo bajo de la curva de energías de enlace. Dos núcleos ligeros se fusionan formando un núcleo más pesado. Esta transformación libera grandes cantidades de energía. El Sol, reactor de fusión nuclear La energía que irradia el Sol se debe a reacciónes de fusión. Debido a las enormes temperaturas y presiones, los núcleos de hidrógeno se combinan y producen casi toda la energía que libera el sol. 6 Fusión Nuclear Diferencias entre fusión y fisión nuclear: 7 Fusión Nuclear Energía de repulsión de Coulomb En la fisión nuclear para realizar la reacción en cadena, se utiliza un neutrón, el cual no posee carga y puede atravesar sin problemas el núcleo atómico. En cambio en la fusión, el gran problema que se presenta es que ambos núcleos tienen una carga eléctrica positiva. Reacción química: La fusión nuclear está dada por la siguiente fórmula: 2H 1 + 3H1 4He 2 + 3,6 MeV + 1n0 + 14 MeV 8 Fusión Nuclear Problemas para realizarla: Calentar el gas a temperaturas tan altas Confinar una cantidad suficiente de núcleos durante un tiempo lo bastante largo para permitir la liberación de una energía mayor que la necesaria para calentar y confinar el gas. Técnicas sugeridas: Criterio de Lawson: דn ≥ 1014 Cámara de confinamiento de un Tokamak Confinamiento Inercial Avances de la década de los ‘90 9 Armas Termonucleares (o de Fusión) Una reacción opuesta a la fisión: En vez de aprovechar la energía que se produce en una reacción en cadena del material fisil, las armas nucleares podrían utilizar la energía liberada en la fusión de elementos mas ligeros, el caso más conocido es el caso de los isótopos del hidrógeno. Por ello las bombas de fusión nuclear se llaman bombas H. Imposibilidades técnicas: Se necesitan varios de millones de grados para lograr la fusión. Es por ello que reciben el nombre de reacciones ‘termonucleares’. Era imposible el desarrollo de las bombas de hidrógeno antes de que se perfeccionaran las bombas atómicas ya que solo estas podrían suplir la tremenda cantidad de calor necesaria para iniciar la fusión de los átomos de hidrógeno. 10 Pruebas Termonucleares Primeros dispositivos de fusión: El 1 de noviembre de 1952 se realizó con éxito la priemra prueba a gran escala de un dispositivo de fusión, la que produjo una explosión de varios millones de toneladas de TNT de potencia (es decir, varios megatones). La lluvia radioactiva: La explosión de marzo de 1954 dio lugar a que se reconociera mundialmente la existencia de la lluvia radioactiva. La cual reveló muchas cosas sobre la naturaleza de una bomba termonuclear. 11 Pruebas Termonucleares Explosión termonuclear: Una explosión termonuclear provoca una nube en forma de hongo. Esta explosión de 1 de noviembre de 1952 formaba parte de la operación Ivy 12 Bomba Trifásica Bombas de Fisión-Fusión-Fisión: La bomba termonuclear de 1954 fue un arma de tres fases. 1º Fase: Una bomba A que actua como detonador. 2º Fase: Una bomba H resultante de la fusión de deuterio y tritio en el interior. Se forman átomos de He y 1n0 de alta energía. 3º Fase: Impacto de estos neutrones en la cubierta exterior de la bomba, que estaba hecha de Uranio natural o Uranio 238. 13 14