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Reacción de fisión vs fusión. Crédito: Duke Energy.
Tanto en la fusión como en la fisión, los procesos nucleares alteran los átomos para generar energía. A pesar de tener algunas cosas en común, los dos pueden considerarse polos opuestos.
En aras de la simplicidad, la fusión nuclear es la combinación de dos átomos más ligeros en uno más pesado. La fisión nuclear es exactamente el proceso opuesto por el cual un átomo más pesado se divide en dos más ligeros.
Fisión vs fusión de un vistazo
| Fisión nuclear | Fusión nuclear |
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De Einstein a las armas nucleares
El 21 de noviembre de 1905, el físico Albert Einstein publicó un artículo en Annalen der Physik titulado ¿Depende la inercia de un cuerpo de su contenido energético? Este fue uno de los cuatro artículos de Einstein Annus Mirabilis (del latín, annus mrbilis, Año Extraordinario) en el que describió lo que se ha convertido en la ecuación física más famosa: E = mc 2 (la energía es igual a la masa por la velocidad de la luz al cuadrado).
Esta ecuación engañosamente simple se puede encontrar en todas partes, incluso en la cultura pop. Está impreso en tazas de café y camisetas. Ha aparecido en innumerables novelas y películas. Millones de personas lo reconocen y pueden escribirlo de memoria aunque no entiendan nada sobre la física involucrada.
Antes de Einstein, la masa se consideraba una mera propiedad material que describía cuánta resistencia opone el objeto al movimiento. Para Einstein, sin embargo, la masa relativista que ahora tiene en cuenta el hecho de que la masa aumenta con la velocidad y la energía son simplemente dos nombres diferentes para una misma cantidad física. Ahora teníamos una nueva forma de medir la energía total de un sistema simplemente observando la masa, que es una forma de energía superconcentrada.
Los científicos no tardaron mucho en darse cuenta de que había una enorme cantidad de energía esperando a ser explotada. Por el proceso a través del cual la fisión divide los átomos de uranio, por ejemplo, se libera una gran cantidad de energía, junto con neutrones. Curiosamente, cuando cuentas todas las partículas antes y después del proceso, encontrarás que la masa total de las últimas es ligeramente menor que las primeras. Esta diferencia se denomina defecto de masa y es precisamente esta materia faltante la que se ha convertido en energía, la cantidad exacta calculable utilizando la famosa ecuación de Einstein. Esta discrepancia de masa puede ser pequeña, pero una vez que la multiplicas por c 2 (la velocidad de la luz al cuadrado), la energía equivalente puede ser enorme.
Por supuesto, esta conservación de la energía es válida en todos los dominios, tanto en la física relativista como en la clásica. Un ejemplo común es la oxidación espontánea o, más familiarmente, la combustión. Se aplica la misma fórmula, por lo que si mide la diferencia entre la masa restante del material sin quemar y la masa restante del objeto quemado y los subproductos gaseosos, también obtendrá una pequeña diferencia de masa. Multiplíquelo por c 2 y obtendrá la energía liberada durante la reacción química.
Sin embargo, todos hemos quemado un fósforo y no hubo una nube de hongo. Solo puede seguirse que el cuadrado de la velocidad de la luz solo explica en parte la enorme diferencia en la energía liberada entre las reacciones nucleares y químicas. Markus Pssel, científico gerente del Centro de Educación y Divulgación en Astronomía del Instituto Max Planck de Astronomía en Heidelberg, Alemania, nos brinda una excelente explicación de por qué las reacciones nucleares pueden ser violentas.
Para ver dónde radica la diferencia, hay que echar un vistazo más de cerca. Los núcleos atómicos no son elementales e indivisibles. Tienen partes componentes, a saber, protones y neutrones. Para comprender la fisión (o fusión) nuclear, es necesario examinar los enlaces entre estos componentes. En primer lugar, están las fuerzas nucleares que unen protones y neutrones. Luego, existen otras fuerzas, por ejemplo la fuerza eléctrica con la que todos los protones se repelen entre sí por el hecho de que todos llevan la misma carga eléctrica. Asociadas con todas estas fuerzas están las llamadas energías de enlace, las energías que necesita suministrar para separar un conjunto de protones y neutrones, o para superar la repulsión eléctrica entre dos protones.
Curva de energía de enlace nuclear. Crédito: hiperfísica.phy-astr.gsu.edu
La principal contribución se debe a que la energía de enlace se convierte en otras formas de energía, una consecuencia no de la fórmula de Einstein, sino del hecho de que las fuerzas nucleares son comparativamente fuertes y que ciertos núcleos más ligeros están mucho más unidos que ciertos núcleos más masivos.
Pssel continúa mencionando que la fuerza del enlace nuclear depende del número de neutrones y protones involucrados en la reacción. Además, la energía de enlace se libera tanto cuando se divide un núcleo pesado en partes más pequeñas (fisión) como cuando se fusionan núcleos más ligeros en otros más pesados (fusión). Esto explica, junto con las reacciones en cadena, por qué las bombas nucleares pueden ser tan devastadoras.
Cómo funciona la fisión nuclear
La fisión nuclear es un proceso de la física nuclear en el que el núcleo de un átomo se divide en dos o más núcleos más pequeños como productos de fisión y, por lo general, algunas partículas de subproductos.
Basado en la reveladora predicción de Albert Einstein de que la masa podría convertirse en energía y viceversa, Enrico Fermi construyó el primer reactor de fisión nuclear en 1940.
Cuando un núcleo se fisiona espontáneamente (muy raro) o después de un bombardeo controlado de neutrones, se divide en varios fragmentos más pequeños o productos de fisión, que tienen aproximadamente la mitad de la masa original. En el proceso, también se emiten dos o tres neutrones. La diferencia de masa en reposo, alrededor del 0,1 por ciento de la masa original, se convierte en energía.
Fisión nuclear de Uranio-235. Crédito: Wikimedia Commons.
La energía liberada por una reacción de fisión nuclear puede ser tremenda. Por ejemplo, un kilogramo de uranio puede liberar tanta energía como la combustión de 4 mil millones de kilogramos de carbón.
Para desencadenar la fisión nuclear, debes disparar un neutrón al núcleo pesado para hacerlo inestable. Observe en el ejemplo anterior, la fragmentación del U-235, el isótopo fisionable más importante del uranio, produce tres neutrones. Estos tres neutrones, si se encuentran con otros átomos de U-235, pueden iniciar e iniciarán otras fisiones, produciendo aún más neutrones. Como fichas de dominó que caen, los neutrones desencadenan una cascada continua de fisiones nucleares llamada reacción en cadena.
Para desencadenar la reacción en cadena, es fundamental liberar más neutrones de los que se utilizaron durante la reacción nuclear. De ello se deduce que sólo los isótopos que pueden liberar un exceso de neutrones en su fisión soportan una reacción en cadena. El isótopo U-238, por ejemplo, no puede sostener la reacción. La mayoría de las plantas de energía nuclear en funcionamiento actualmente utilizan uranio-235 y plutonio-239.
Otro requisito previo para la reacción en cadena de fisión es una cantidad mínima de materia fisionable. Si hay muy poco material, los neutrones pueden salir disparados de la muestra antes de tener la oportunidad de interactuar con un isótopo U-235, provocando que la reacción fracase. Los científicos nucleares se refieren a esta cantidad mínima de materia fisionable como masa crítica . Cualquier cosa por debajo de este umbral mínimo se llama masa subcrítica.
Reacción en cadena de la fisión del U-235. Crédito: Wikimedia Commons.
Cómo funciona la fusión nuclear
La fusión ocurre cuando dos átomos más pequeños chocan a energías muy altas para fusionarse, creando un átomo más grande y pesado. Este es el proceso nuclear que alimenta el núcleo del sol, que a su vez impulsa la vida en la Tierra.
Como en el caso de la fisión, hay un defecto de masa , la masa fusionada será menor que la suma de las masas de los núcleos individuales. que es la fuente de energía liberada por la reacción. Ese es el secreto de la reacción de fusión. Las reacciones de fusión tienen una densidad de energía muchas veces mayor que la fisión nuclear y las reacciones de fusión son en sí mismas millones de veces más energéticas que las reacciones químicas.
La fusión nuclear es lo que alimenta el núcleo del sol. Crédito: NASA.
La fusión nuclear algún día podría proporcionar a la humanidad cantidades inagotables de energía. Cuándo puede llegar ese día no está claro en este momento ya que el progreso es lento, pero eso es comprensible. Aprovechar las mismas fuerzas nucleares que impulsan al sol presenta importantes desafíos científicos y de ingeniería.
Normalmente, los átomos ligeros como el hidrógeno o el helio no se fusionan espontáneamente porque la carga de sus núcleos hace que se repelan entre sí. Sin embargo, dentro de estrellas calientes como el sol, la temperatura y la presión extremadamente altas desgarran los átomos hasta convertirlos en protones, electrones y neutrones. Dentro del núcleo, la presión es millones de veces mayor que la superficie de la Tierra y la temperatura alcanza más de 15 millones de Kelvin. Estas condiciones permanecen estables porque el núcleo es testigo de un interminable tira y afloja de expansión-contracción entre la gravedad propia del sol y la presión térmica generada por la fusión en el núcleo.
Debido a los efectos de túnel cuántico, los protones chocan entre sí a alta energía para fusionarse en núcleos de helio después de una serie de pasos intermedios. La fusión dentro de la estrella, un proceso llamado cadena protón-protón, sigue esta secuencia:
El proceso de fusión protón-protón que es la fuente de energía del Sol. Crédito: Wikimedia Commons.
- Dos pares de protones se fusionan, formando dos deuterones. El deuterio es un isótopo estable de hidrógeno, que consta de 1 protón, 1 neutrón y 1 electrón.
- Cada deuterón se fusiona con un protón adicional para formar helio-3;
- Dos núcleos de helio-3 se fusionan para crear berilio-6, pero este es inestable y se desintegra en dos protones y un helio-4;
- La reacción también libera dos neutrinos, dos positrones y rayos gamma.
Dado que el átomo de helio-4 tiene menos energía o masa en reposo que los 4 protones que se juntaron inicialmente, la energía se irradia fuera del núcleo y a través del sistema solar.
Para brillar intensamente, el sol engulle alrededor de 600 millones de toneladas de núcleos de hidrógeno (protones) cada segundo que convierte en helio liberando 384,6 billones de billones de julios de energía por segundo. Esto equivale a la energía liberada en la explosión de 91.920 millones de megatones de TNT por segundo. Sin embargo, de toda la masa que se somete a este proceso de fusión, solo alrededor del 0,7% se convierte en energía.
Aunque los científicos han estado tratando de aprovechar la fusión durante décadas, todavía tenemos que cumplir el sueño de fusión que promete energía limpia ilimitada.
Si bien es relativamente fácil dividir un átomo para producir energía, fusionar núcleos de hidrógeno es un par de órdenes de magnitud más desafiante. Para replicar el proceso de fusión en el núcleo del sol, tenemos que alcanzar una temperatura de al menos 100 millones de grados centígrados. Eso es mucho más de lo que se observa en la naturaleza, unas seis veces más caliente que el núcleo del sol, ya que no tenemos la intensa presión creada por la gravedad del interior del sol.
Eso no quiere decir que aún no hayamos logrado la fusión. Es solo que todos los experimentos hasta la fecha ponen más energía para permitir que la temperatura y la presión requeridas desencadenen reacciones de fusión significativas que la energía generada por estas reacciones.
Las nuevas tecnologías prometedoras, como el confinamiento magnético y el confinamiento inercial basado en láser, algún día podrían sorprendernos a todos con un gran avance. Uno de los proyectos más importantes en este campo es el experimento de fusión conjunta del Reactor Termonuclear Experimental Internacional (ITER) en Francia, que aún se está construyendo. Se espera que su máquina de fusión en forma de rosquilla llamada tokamak comience a fusionar átomos en 2025.
En otro lugar, en Alemania, el reactor Wendelstein 7-X, que utiliza un diseño complejo llamado stellarator, se encendió por primera vez a fines de 2016. Funcionó como se esperaba, aunque sigue siendo ineficiente como todos los demás reactores de fusión. El reactor Wendelstein, sin embargo, se construyó como una prueba de concepto para el diseño del stellarator, que agrega varios giros al anillo tokamak para aumentar la estabilidad. El Reino Unido y China también tienen sus propios reactores de fusión experimentales.
Estados Unidos, por otro lado, quiere renovar significativamente el reactor de fusión clásico. Los físicos del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL) del Departamento de Energía están proponiendo una forma más eficiente que emplea tokamaks esféricos, más parecidos a una manzana sin corazón. El equipo escribe que este diseño esférico reduce a la mitad el tamaño del agujero en la rosquilla, lo que significa que podemos usar campos magnéticos de mucha menor energía para mantener el plasma en su lugar.
Parece que aún faltan décadas para ver un reactor de fusión eficiente. Sin embargo, cuando consigamos nuestro propio sol en un frasco, prepárate para abrazar lo inesperado porque nada volverá a ser lo mismo.
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