Fenomeno DE LA Fisión Y Fusión Nuclear Y SUS Aplicaciones PDF

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FENOMENO DE LA FISIÓN Y FUSIÓN NUCLEAR Y SUS APLICACIONES La energía nuclear tuvo en sus orígenes un uso exclusivamente militar. No obstante, el uso civil de esta energía se ha demostrado útil para generar electricidad con altos índices de rendimiento.

REACCIONES NUCLEARES En sentido genérico, se llama reacción nuclear a todo proceso en el que se produce una transformación de un núcleo atómico para producir otro núcleo de diferente naturaleza. El esquema general de una reacción nuclear es el siguiente:

siendo X el núcleo atómico inicial, Y el núcleo final, a un tipo de partícula con la que se bombardea el núcleo X, y b la partícula o partículas que resultan de la reacción. El término Q es el balance de energía que se produce a consecuencia de la reacción. El valor del balance energético de una reacción nuclear puede ser positivo, en cuyo caso la reacción se denomina exoenergética, o negativo, cuando se consume más energía que la que se libera, en reacciones denominadas endoenergéticas. En la primera reacción nuclear inducida por medios artificiales (llevada a cabo en 1932), se bombardearon átomos de litio de número másico 7 con protones muy energéticos, para producir partículas alfa (núcleos de helio 4).

En la fisión nuclear por bombardeo de neutrones pueden producirse reacciones en cadena, como la que ilustra gráficamente la imagen.

TIPOS DE REACCIONES NUCLEARES En esencia, cabe distinguir dos tipos de reacciones nucleares: 

Fisión nuclear: aquella en la que un átomo relativamente pesado se descompone en otros más ligeros en una reacción que suele acompañarse de la emisión de partículas radiactivas y de producción de grandes cantidades de energía. Esta reacción es común en la fabricación de bombas nucleares y es la que se induce en las centrales nucleares actuales para la obtención de energía eléctrica. Puede provocar problemas ambientales derivados de la necesidad de transportar y almacenar los residuos radiactivos peligrosos que produce y conlleva a estrictos controles de seguridad.



Fusión nuclear: aquella en la que se unen dos núcleos ligeros para formar otro más pesado. Este tipo de reacción es la que tiene lugar en el interior de las estrellas (en las llamadas reacciones termonucleares) y les proporciona su brillo y su producción energética. En la escala terrestre, los experimentos realizados sobre fusión nuclear se enfrentan a un problema de primer orden: la dificultad de controlar las enormes cantidades de energía que se manejan en el proceso. No obstante, se considera que es la fuente de energía del futuro, por cuanto no produce residuos radiactivos peligrosos y podría obtenerse de combustibles tan económicos como el deuterio (hidrógeno 2) del agua del mar.

Fisión nuclear La primera reacción nuclear realizada en la historia de la humanidad fue la fisión nuclear . Este proceso consiste, en sentido estricto, en la descomposición de un núcleo pesado en otros dos núcleos de masa y número atómico aproximadamente igual a la mitad del núcleo original. Los átomos de partida en los procesos de fisión nuclear son el uranio 235 (un isótopo raro del uranio, presente en 1/140 partes en sus menas naturales) y el plutonio.

Gráfica del defecto o diferencia de masa frente al número másico. Las reacciones de fisión son muy exoenergéticas, y su primera utilización histórica se produjo en la bomba atómica que cayó sobre Hiroshima (Japón) al final de la Segunda Guerra Mundial. Hoy día, la fisión nuclear se emplea con fines civiles (centrales nucleares), de transporte (propulsión nuclear) y militares (armamento atómico). La primera reacción de fisión autosostenida se logró en 1942 en la Universidad de Chicago, merced a los trabajos del equipo de este centro que dirigía el físico de origen italiano Enrico Fermi (1901-1954). Un ejemplo clásico de reacción de fisión nuclear es la ruptura del núcleo de uranio 235 por bombardeo con neutrones lentos, para producir núcleos de bario 139 y kriptón 86, además de neutrones y una energía de salida de 175 MeV. El esquema de esta reacción es el siguiente:

La producción de once neutrones en salida de este proceso es fundamental para lograr la continuidad de la misma, en forma de una reacción en cadena.

Fusión nuclear La fusión nuclear implica la combinación de dos núcleos ligeros en un núcleo más pesado. La fusión o reacciones termonucleares de elementos ligeros son las reacciones típicas que tienen lugar en el Sol y otras estrellas. De hecho en el Sol, cada segundo, se fusionan 657 millones de

toneladas de hidrógeno en 653 millones de toneladas de helio. Los 4 millones de toneladas de diferencia de masa se convierten en radiación - y así es como brilla el Sol. Las condiciones extremas de temperatura y presión crean un estado de materia altamente ionizada llamado plasma que se mantiene unido gracias a las fuerzas gravitacionales. El proceso de fusión nuclear es conceptualmente inverso al de la fisión. En la fusión, dos núcleos ligeros se unen entre sí para constituir un átomo más pesado. El rendimiento energético de las reacciones de fusión es muy superior al de las de fisión. En términos de energía por nucleón, en la fisión se producen 0,74 MeV, mientras que en las reacciones de fusión esta cifra se eleva hasta 3,52 MeV. La forma más típica de reacción de fusión nuclear es la conversión de dos núcleos de hidrógeno (uno de deuterio, o hidrógeno 2, y otro de tritio, o hidrógeno 3) en uno de helio, con emisión de un neutrón y una cantidad de energía muy elevada. El esquema de esta reacción es el siguiente:

La fusión nuclear, en diversas cadenas reactivas (protón-protón y ciclo del carbono), constituye la fuente de energía de las estrellas.

Una reacción de fusión en la que se libera una cantidad relativamente alta de energía (27,7 MeV) es la que conduce a la formación de un núcleo de helio (una partícula alfa) a partir de cuatro protones. Debido a que los isótopos de hidrógeno se fusionan en este proceso y a que el hidrógeno está presente prácticamente en todo lo que nos rodea, la idea de obtener energía a partir de la fusión del hidrógeno es extremadamente atractiva: ¡ ofrece una fuente aparentemente ilimitada de energía para las generaciones futuras !. Las reacciones de fusión, sin embargo, no son fáciles de lograr en la Tierra. Hay que tener en cuenta que las temperaturas requeridas son extremadamente altas, generalmente del orden de cientos de millones de grados Kelvin. Además, una vez que se crea el plasma caliente, el problema de mantenerlo no es en modo alguno trivial.

Energía de fusión El principal problema técnico es la generación de estas condiciones de temperatura y presión extremadamente alta en el gas ionizado (plasma) y su confinamiento en un tiempo suficientemente largo como para provocar la fusión y por lo tanto la liberación de energía. Una vez logrado esto, y suficientes reacciones de fusión llevándose a cabo, las condiciones podrían ser de auto-mantenimiento, es decir que un suministro de combustible fresco debería crear una producción continua de energía.

La condición necesaria para la liberación de energía a partir de un reactor termonuclear viene dada por el llamado criterio de Lawson, que establece que el producto de la densidad de los núcleos en el plasma y el tiempo del confinamiento de éste a la temperatura de ignición apropiada debe exceder un cierto valor umbral. Para la reacción de fusión D-T por ejemplo:

neτE ≥ 1,5 × 1020 s/m3

La necesidad de altas temperaturas implica que el plasma no puede estar en contacto con el material de las paredes. Por lo tanto se tienen que desarrollar técnicas especiales para el confinamiento del plasma. Hay tres métodos de confinamiento del plasma: gravitacionales, magnéticos y de inercia. En las estrellas, el confinamiento se debe a su campo gravitatorio que crea una presión suficientemente alta. Ese tipo de confinamiento, sin embargo, no es aplicable en la Tierra. En lugar de ello, se pueden utilizar campos magnéticos fuertes para atrapar el plasma en el método de confinamiento magnético, o, en el llamado confinamiento inercial, los gránulos de hidrógeno se comprimen por medio de un láser potente o de haces de partículas.

En el caso de confinamiento magnético, donde la densidad de las partículas es mayor que, aproximadamente, 1020/m3, el tiempo de confinamiento, derivado del criterio de Lawson, debe ser más largo que 1s. En el caso de confinamiento inercial, por ejemplo, la densidad del plasma típica es aproximadamente ≈ 1031/m3, y el tiempo de confinamiento debe ser del orden de 10-11s. La reacción más probable para aplicaciones prácticas es la fusión de deuterio y tritio, D + T → 4He + n + 17.58 MeV, aunque las reacciones de deuterio-deuterio también se consideran. El deuterio se pueden encontrar fácilmente en agua (30 gramos por metro cúbico). El tritio, sin embargo, tiene que ser producido ya sea en un reactor nuclear o en un reactor de fusión a partir de litio, un elemento que puede ser encontrado en la corteza de la Tierra en grandes cantidades.

Esto se puede lograr mediante el empleo de una capa relativamente gruesa (aproximadamente 1 m) de litio, que contiene también berilio, que rodea el núcleo del reactor. El litio absorberá los neutrones que han sido ralentizados en dicha capa convirtiéndose en tritio y helio. La energía liberada calienta la capa comenzando así la generación convencional de energía. El papel del berilio consiste en mantener suficiente número de neutrones en el sistema.

Confinamiento magnético El movimiento de partículas cargadas en el plasma puede ser controlado por un campo magnético externo. En los sistemas cerrados de confinamiento magnético, llamados reactores Tokamak, se calienta y confina el plasma (D- T por ejemplo) a densidades de hasta 1021 partículas por metro cúbico. El campo magnético se diseña para mantener las partículas fuera de las paredes del recinto. De lo contrario, el plasma se 'enfriaría' rápidamente y las reacciones de fusión cesarían.

Además de la elevadísima temperatura, la presión magnética de confinamiento del plasma es también impresionante. Para la densidad de partículas atmosférica (alrededor de 1027 partículas por metro cúbico) y una energía térmica de 10 keV, la presión magnética debe exceder 108 hPa. ¡ Las bobinas de campo y sus soportes mecánicos no pueden resistir tales

presiones!. Para hacer que la presión sea más baja, hay que disminuir la densidad de las partículas. Y para cumplir con el criterio de Lawson, se debe entonces mantener el plasma caliente por más tiempo. La configuración del campo magnético más eficaz ha resultado ser la toroidal. La cámara del reactor tiene la forma de un donut y forma una "botella magnética" cerrada. En realidad, para asegurar la estabilidad del plasma, las líneas de campo magnético siguen una trayectoria helicoidal. Este confinamiento lo proporcionan los dispositivos conocidos como tokamaks, stellarators y compresor de campo invertido (RFP).

Confinamiento inercial La técnica de la fusión por confinamiento inercial está basada en bolitas (pequeños blancos esféricos) de combustible formado por D-T que se calientan rápidamente hasta alcanzar la temperatura y presión de un plasma.

El dispositivo experimental de fusión más avanzado basado en confinamiento inercial es NOVA, en el laboratorio Lawrence Livermore Laboratory, EEUU. Los investigadores de NOVA han conseguido densidades hasta 600 veces la del D-T líquido y 20 veces mayores a la del plomo.

JET e ITER La comunidad Europea inició el programa JET en 1978. Las siglas JET vienen de Joint European Torus. El principal objetivo de este proyecto es la realización de experimentos de fusión, física de plasmas y condiciones de estabilidad. El proyecto tiene su sede en Culham en Gran Bretaña.

Este dispositivo experimental fue en su momento el mayor tokamak. En 1983, el experimento estaba listo para iniciar su funcionamiento. La primera fusión controlada fue en noviembre de 1991. La máxima potencia de JET alcanzó los 16 MW durante un segundo. Ocurrió en 1997 con un combustible que era mezcla de deuterio y tritio. El experimento JET demostró que la fusión controlada era posible. ITER, es su sucesor. Se trata de un gran proyecto internacional de investigación e ingeniería que está actualmente construyendo el mayor reactor Tokamak de fusión nuclear en Cadarache, Francia. ITER quiere hacer realidad el paso de los estudios básicos de física de plasmas a la producción de electricidad a gran escala en plantas de fusión nuclear.

NIF El proyecto NIF National Ignition Facility, en California, EEUU, es la mayor instalación Laser del mundo, en tamaño y energía. Uno de sus objetivos es conseguir en el laboratorio la fusión nuclear y la producción de energía, lo que significaría ser capaces de crear una mini estrella en la Tierra.

NIF utiliza láseres extremadamente potentes para calentar y comprimir pequeñas cantidades de hidrógeno hasta conseguir que se produzcan reacciones de fusión. NIF es el mayor dispositivo de Fusión por Confinamiento Inercial (ICF) construido hasta la fecha y es de esperar que sea el primero en conseguir el soñado objetivo de la "ignición", es decir, producir más energía de la que se invierte para iniciar la propia reacción de fusión. Este es su gran objetivo, conseguir en el laboratorio una producción de energía importante, aunque también la de contribuir a la construcción y diseño de armamento nuclear a partir del estudio del comportamiento de la materia en condiciones extremas, tales como las que se dan en las armas nucleares. Las temperaturas y presiones extremas que se crean en la cámara de reacción de NIF permite a los científicos experimentar en condiciones de alta densidad, que aportarán datos de importancia en nuestro conocimiento de fenómenos astrofísicos tales como supernovas, planetas gigantes y agujeros negros.

La Fusión frente a la fisión La fusión puede considerarse en cierta manera como la reacción opuesta a la fisión nuclear. En la fisión, la escisión de un núcleo pesado, produce dos núcleos de menor masa. La suma de las masas de los núcleos producidos es menor que la masa del núcleo pesado. En el caso de la fusión, la masa del núcleo pesado es menor que la suma de las masas de los núcleos ligeros.

Es fácil darse cuenta que para iniciar una reacción de fusion, la energía relativa de los núcleos (cargados positivamente), debe de ser lo suficientemente grande para compensar la repulsión eléctrica. De esta forma, para formar átomos de helio, que se consigue tras la fusión de deuterio y tritio, el combustible tiene que estar a muy alta temperatura y presión. En esta reacción se produce también un neutrón. Este tiene una energía cinética elevada, que se va perdiendo en un proceso de frenado. La energía se convierte en calor, que produce vapor que a su vez hace girar unas turbinas y activa un generador eléctrico. Los neutrones producidos en estas reacciones de fusión pueden a su vez utilizarse para producir combustible nuclear a

partir de uranio empobrecido, i.e uranio que contiene 235U en menor proporción que el uranio natural (0,72%).

Ventajas de la fusión sobre la fisión Aproximadamente uno de cada 6 000 átomos de hidrógeno que nos rodean (incluyendo el hidrógeno almacenado en el agua) es un átomo de deuterio. Esta abundancia es un poderoso incentivo para diseñar algún tipo de instalación de reacción de fusión - ya que esto efectivamente daría un suministro de energía a la humanidad de quizá ¡miles de millones de años!. Comparemos: a fin de producir 1 GW-año de energía eléctrica, se necesita cerca de 35 toneladas de UO2 para la fisión, y alrededor de 100 kg de deuterio y más de 150 kg de tritio para la fusión. Otro aspecto que hace atractiva la fusión es la falta casi total de contaminantes (subproductos) radioactivos. Particularmente importante es el hecho de que ningún material que se emplea para la producción de armas nucleares se obtiene de la producción de una planta de energía de fusión. Además, en contraste con los reactores nucleares de fisión, una explosión de una instalación de fusión es prácticamente imposible: si ocurriese una explosión, el plasma se expandiría y se enfriaría, lo que detendría automáticamente el proceso de fusión. Esto no quiere decir que no existan riesgos relacionados con los reactores de fusión. En particular, hay que tener en cuenta la producción masiva de neutrones, y de tritio radiactivo. La presencia de sales de litio fundido y del berilio, cancerígenos, también presentaría un problema.

¿Es más segura la fusión que la fisión? Al igual que en el caso de los reactores de fisión, en los reactores de fusión se produce una gran cantidad de radiación ionizante (especialmente neutrones). Por lo tanto, es de esperar que uno de los principales problemas sea el blindaje contra la radiactividad inducida en toda la instalación. El riesgo asociado con un posible accidente del sistema magnético, que almacena cantidades muy altas de energía, tiene que ser considerado seriamente. En 1992 se creó el equipo denominado Evaluación Ambiental y Seguridad de Energía de Fusión Europeo (SEAFP). El propósito del equipo es trabajar en el diseño de las centrales eléctricas de fusión, sus condiciones de seguridad y la evaluación de su impacto en el medio ambiente. De acuerdo con las evaluaciones de la SEAFP, la principal ventaja de la fusión sobre las plantas de energía de fisión nuclear consiste en que, en el peor de sus escenarios, la liberación de radiación nunca llegará a un nivel tal que obligue a la evacuación de la población. Además, los residuos radiactivos producidos en las plantas de energía de fusión se descomponen relativamente rápido y no requieren el aislamiento del entorno. Un problema particular a tener en cuenta está relacionado con la posible liberación de tritio radiactivo al medio ambiente. Este gas radiactivo es muy penetrante, se disuelve fácilmente en agua, y todavía puede ser peligroso largo tiempo después de su creación (la vida media del tritio es de unos 12 años).

CUESTIONARIO ¿que aplicacion pueden tener los fenómenos de fusion y fisión nuclear? La fusión nuclear es un proceso mediante el cual un grupo de átomos similares se fusionan para crear un átomo más pesado, mientras que en el proceso de fisión ocurre exactamente lo opuesto, en ella un átomo pesado se divide en 2 o más átomos Debido a que estos procesos liberan gran cantidad de energía, son muy utilizados en la industria eléctrica para la producción de electricidad. También tienen usos en campos como la medicina, la agricultura, minería etc.

Bibliografía Elmore , W., Truck, J., & Watson, K. (1959). on the inertial electrostatic confinement of a plasma(en ingles). EE.UU: ISSN. Fernandez , K., Cosials, & Barbas, A. (2017). curso basica de fusion nuclear. Madrid, España : Bolaños. Palacios, S. (2015). Que 100 años no es nada... o porque aun no tenemos una central nuclear fusion. España: cuaderno de cultura cientifica ....