Fundamentos de la Energía Nuclear: Fisión y Fusión Atómica

Fisión Nuclear

La fisión nuclear es un proceso en el que un núclido, generalmente de masa elevada, se rompe en dos fracciones más pequeñas.

Mecanismo de la Fisión

Habitualmente, para que se produzca la fisión es necesario bombardear los núclidos con neutrones lentos, ya que si son rápidos chocan contra los núclidos y salen despedidos. El núclido de gran masa absorbe el neutrón y se rompe en dos fragmentos que, con frecuencia, tienen masa similar. En este proceso se liberan neutrones que pueden actuar como proyectiles contra otros núclidos de gran masa, provocando una reacción en cadena. (Ejemplo + Dibujo).

Balance Energético y Defecto de Masa

La masa de las sustancias que resultan de la fisión nuclear es ligeramente inferior a la masa de las sustancias que reaccionan. Este defecto de masa se libera en forma de energía, cumpliéndose la ecuación de Einstein:

$$E = mc^2$$

siendo $m$ el valor absoluto de la diferencia entre la masa del producto y la masa del reactivo ($m = |m_{\text{producto}} - m_{\text{reactivo}}|$).

Las reacciones nucleares son más exoenergéticas que cualquier reacción química; de ahí que se utilicen como fuente de energía.

Aplicaciones de la Fisión Nuclear

La primera aplicación de la fisión fue la bomba atómica. Sin embargo, la fisión nuclear también tiene múltiples aplicaciones civiles, como:

• La obtención de energía en las centrales térmicas nucleares.
• El uso de potentes y duraderos generadores de energía en lugares de difícil abastecimiento, como en los submarinos, rompehielos o sondas espaciales.

Fusión Nuclear

Mecanismo de la Fusión y Liberación de Energía

La fusión nuclear es un proceso en el que dos núclidos de masa baja se unen, dando un núclido de masa alta. La masa de los productos de la fusión es ligeramente inferior a la masa de los reactivos, lo que determina la liberación de la cantidad equivalente de energía. Se cumple la ecuación de Einstein:

$$E = mc^2$$

siendo $m$ el valor absoluto de la diferencia entre la masa del producto y la masa del reactivo ($m = |m_{\text{producto}} - m_{\text{reactivo}}|$).

Fusión en el Universo (Nucleosíntesis)

• En la nucleosíntesis inicial, en los primeros instantes del universo, se forman elementos ligeros como el Hidrógeno (H) y el Helio (He), y trazos de Litio (Li).
• En las estrellas, como el Sol, donde la temperatura es del orden de $10^8 \text{ K}$, átomos de H se convierten en átomos de He. Este es el paso previo al proceso de nucleosíntesis que dará lugar a la formación de los restantes elementos (Carbono, Nitrógeno, etc.).

Fusión Nuclear Controlada

Las temperaturas que se requieren para la fusión son tan elevadas que la materia se encuentra en estado de plasma (el cuarto estado de la materia), en el que las partículas ionizadas (núcleos positivos + electrones) se comportan como si fuesen un gas.

Desafíos del Confinamiento

En estas condiciones, es muy difícil mantener el estado de plasma en un reactor. Para lograrlo, se recurre a un confinamiento magnético que hace que las partículas no lleguen a tocar las paredes del reactor.

Ventajas Potenciales

Si se llegase a realizar la fusión a temperaturas accesibles, tendríamos el método ideal para obtener grandes cantidades de energía de una manera muy poco contaminante. Los materiales de partida (los distintos isótopos de hidrógeno) están en la naturaleza en cantidad abundante y el producto de la fusión (Helio, He) es un gas noble sin ningún efecto radiactivo.