La fusión nuclear y la energía del Sol
Una noche de verano, en la costa de Mar del Plata, mirás el cielo lleno de estrellas. Cada una es un «horno» gigante que lleva miles de millones de años brillando. ¿De dónde saca tanta energía? ¿Podríamos tener una «estrellita» en la Tierra para generar electricidad? Vamos a responderlo.
¿Qué es la fusión nuclear?
En la fisión, un núcleo pesado (como el uranio) se parte en núcleos más livianos. La fusión hace lo contrario: dos núcleos livianos se unen y forman un núcleo más pesado. En el camino se libera una enorme cantidad de energía.
El ejemplo más importante es el del Sol: el hidrógeno se transforma en helio.
Completá la definición de fusión nuclear con las palabras que faltan: «En la fusión, dos núcleos $\dots$ se unen para formar un núcleo más $\dots$. En este proceso se…
Completá la definición de fusión nuclear con las palabras que faltan: «En la fusión, dos núcleos $\dots$ se unen para formar un núcleo más $\dots$. En este proceso se libera una gran cantidad de $\dots$».
Clasificá cada característica según corresponda a la fisión, a la fusión o a ambas: a) Se parte un núcleo pesado en núcleos más livianos. b) Se unen núcleos livianos…
Clasificá cada característica según corresponda a la fisión, a la fusión o a ambas:
- a) Se parte un núcleo pesado en núcleos más livianos.
- b) Se unen núcleos livianos para formar uno más pesado.
- c) Libera energía a partir de cambios en el núcleo.
- d) Es la reacción que ocurre en las centrales nucleares que funcionan hoy.
- e) Es la reacción que ocurre en el interior del Sol.
La fusión en el Sol y las estrellas
En el interior del Sol hay hidrógeno en enorme cantidad. Allí, núcleos de hidrógeno se fusionan (a través de varias etapas) y forman helio. Esa energía llega a la Tierra como luz y calor. El Sol fusiona hidrógeno hace unos 4.600 millones de años y todavía le queda combustible para miles de millones de años más.
De manera simplificada:
$$4\ {}^{1}_{1}\text{H} \rightarrow {}^{4}_{2}\text{He} + 2\ {}^{0}_{+1}\text{e} + \text{energía}$$La partícula ${}^{0}_{+1}\text{e}$ es un positrón: tiene la masa de un electrón pero carga positiva.
Una noche de verano, mirando el cielo desde la costa de Mar del Plata, un chico le pregunta a su abuelo por qué brillan las estrellas. Respondé por él: ¿qué proceso…
Una noche de verano, mirando el cielo desde la costa de Mar del Plata, un chico le pregunta a su abuelo por qué brillan las estrellas. Respondé por él: ¿qué proceso nuclear ocurre en el interior del Sol y de las demás estrellas, y qué elemento se transforma en cuál en ese proceso?
Una de las reacciones de fusión que más se estudian une dos isótopos del hidrógeno, el deuterio y el tritio:…
Una de las reacciones de fusión que más se estudian une dos isótopos del hidrógeno, el deuterio y el tritio:
$^{2}_{1}\text{H} + {}^{3}_{1}\text{H} \rightarrow {}^{4}_{2}\text{He} + {}^{A}_{Z}\text{X} + \text{energía}$
Calculá el número másico $A$ y el número atómico $Z$ de la partícula X, identificala e indicá cómo comprobaste que se conservan los números másico y atómico en la reacción.
Por qué hace falta tanta temperatura
Todos los núcleos tienen carga positiva, y las cargas iguales se repelen. Para fusionarlos hay que acercarlos tanto que casi se toquen; a esa distancia tan corta actúa la fuerza entre nucleones y los une. Pero antes hay que vencer la repulsión eléctrica, como empujar dos imanes enfrentados por el mismo polo.
¿Cómo se logra? Con temperatura. A mayor temperatura, las partículas se mueven más rápido y chocan con más fuerza. Con millones de grados, los núcleos chocan tan violentamente que vencen la repulsión.
En el centro del Sol la temperatura es de unos 15 millones de grados Celsius. Para comparar: una reacción química, como quemar gas en una hornalla, libera mucha menos energía por kilogramo que una reacción nuclear; la diferencia es de millones de veces. Además, la enorme masa del Sol comprime el gas con una gravedad inmensa. Calor y presión juntos mantienen la fusión funcionando.
Para que dos núcleos se fusionen hay que acercarlos tanto que casi se toquen, pero los núcleos tienen carga eléctrica positiva. Explicá por qué esa carga dificulta la…
Para que dos núcleos se fusionen hay que acercarlos tanto que casi se toquen, pero los núcleos tienen carga eléctrica positiva. Explicá por qué esa carga dificulta la fusión y por qué es necesaria una temperatura de millones de grados para que ocurra. Indicá también por qué en el interior del Sol se dan esas condiciones.
De dónde sale la energía
Al fusionarse, los núcleos resultantes tienen un poco menos de masa que los iniciales. Esa masa «perdida» se transformó en energía, según la ecuación de Einstein:
Como $c^2$ es un número gigantesco ($9 \times 10^{16}$), un poquito de masa da muchísima energía.
La energía que se libera en una reacción nuclear proviene de una pequeña pérdida de masa, según la ecuación $E = m \cdot c^2$, donde $c = 3 \times 10^8\ \text{m/s}$ es…
La energía que se libera en una reacción nuclear proviene de una pequeña pérdida de masa, según la ecuación $E = m \cdot c^2$, donde $c = 3 \times 10^8\ \text{m/s}$ es la velocidad de la luz. Supongamos que en una reacción de fusión se convierten en energía 0,5 g de masa.
Calculá la energía liberada en joules (pasá antes la masa a kilogramos) y explicá por qué una masa tan pequeña produce una energía tan grande.
En el Sol, cuatro núcleos de hidrógeno se unen, a través de varias etapas, para formar un núcleo de helio. De manera simplificada:…
En el Sol, cuatro núcleos de hidrógeno se unen, a través de varias etapas, para formar un núcleo de helio. De manera simplificada:
$4\ {}^{1}_{1}\text{H} \rightarrow {}^{4}_{2}\text{He} + 2\ {}^{0}_{+1}\text{e} + \text{energía}$
- a) Verificá que se conservan el número másico y el número atómico (la carga) en la ecuación.
- b) La masa de 4 átomos de hidrógeno-1 es 4,0313 u y la de un átomo de helio-4 es 4,0026 u. Calculá la diferencia de masa y el porcentaje de la masa inicial que representa (redondeá a una cifra decimal).
- c) Explicá a dónde «va» esa masa que falta y qué relación tiene con la energía con que brilla el Sol.
¿Y por qué no hay centrales de fusión?
Si la fusión da tanta energía, ¿por qué las centrales argentinas, como Atucha o Embalse, usan fisión? Porque en la Tierra la fusión es muy difícil de controlar:
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Hay que calentar el combustible a más de 100 millones de grados, más caliente que el centro del Sol (acá no tenemos su enorme gravedad).
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A esa temperatura la materia es un gas de partículas cargadas (plasma) y ningún recipiente material la aguanta. Se lo «confina» con campos magnéticos muy potentes.
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Hoy los experimentos gastan casi tanta energía como la que obtienen, y mantener la reacción estable es un enorme desafío.
La fisión, en cambio, se logra a temperaturas moderadas y la tecnología está desarrollada hace décadas. La fusión se investiga en el mundo (por ejemplo, el proyecto internacional ITER), pero todavía no es una fuente comercial.
Un estudiante afirma: «Como la fusión libera mucha más energía por kilogramo de combustible que la fisión, ya deberíamos tener centrales de fusión funcionando en todo el…
Un estudiante afirma: «Como la fusión libera mucha más energía por kilogramo de combustible que la fisión, ya deberíamos tener centrales de fusión funcionando en todo el país, porque es mejor en todo sentido». Analizá esta afirmación. Explicá qué condiciones de temperatura y de confinamiento exige la fusión, y por qué esas dificultades explican que hoy las centrales comerciales usen la fisión. Concluí si la afirmación es correcta o no.
Volvé al principio: las estrellas brillan porque en su interior el hidrógeno se fusiona en helio a millones de grados, y una pequeña pérdida de masa se convierte en energía. Reproducirlo en la Tierra es posible en teoría, pero todavía es un desafío técnico.