Fusion y fision nucleares

 

La fusión y la fisión nucleares

La fusión y la fisión son dos procesos que liberan energía nuclear. La energía nuclear liberada en las reacciones de fusión y fisión debe distinguirse claramente de la energía química liberada en el quemado de combustibles fósiles (petróleo, gas natural y carbón). La energía liberada en cada reacción nuclear es muchos miles o millones de veces (dependiendode la reacción) mayor que la energía liberada en las reacciones químicas. Veamos cómo se genera la energía nuclear a partir de las reacciones de fusión y fisión.
Cuando se fusionan (unen) 2 núcleos que poseen menos de 60 nucleones, el núcleo resultante tiene una masa menor que la suma de las correspondientes a los núcleos originales. Un ejemplo es la fusión de un núcleos de deuterio (que tiene 2nucleones) con uno de tritio (que tiene 3 nucleones).
Esto es sorprendente si comparamos con lo que sucede en las reacciones químicas que liberan energía, en las que no hay una reducción de masa. Por ejemplo, cuando se quema la nafta en el motor de un automóvil, la suma de las masas de los productos finales (fundamentalmente gases) es igual a la masa de la nafta y el aire que se quemaron. Encambio, las cosas suceden de una manera muy diferente cuando se unen estas pequeñísimas partículas que son los núcleos de los átomos: en estos casos los productos finales pesan menos que los ingredientes.
Cuando se fisiona (divide) un núcleo de más de 60 nucleones, la suma de las masas de los núcleos resultantes es menor que la masa del núcleo original. Un ejemplo es la fisión de un núcleo de uranio235 (tiene 235 nucleones).
En ambos casos la masa final es menor que la inicial. La masa "perdida" se transforma en energía de acuerdo con la famosa ecuación de Einstein:
E = Dm c2
donde Dm es la diferencia entre la masa inicial y la final y c es la velocidad de la luz. Tanto cuando se unen dos núcleos para formar uno solo (fusión), como cuando un núcleo se separa en dos (fisión), se libera unagran cantidad de energía.
 

¿Cómo ocurre la fusión?

El proceso de fusión está controlado por dos clases de fuerzas, la fuerza eléctrica y la fuerza nuclear. La fuerza eléctrica actúa hasta grandes distancias y hace que los núcleos, que tienen carga positiva, se repelan. La fuerza nuclear actúa a distancias extremadamente cortas y hace que los núcleos se fusionen.
Para que ocurra la fusiónes necesario que los núcleos se acerquen hasta distancias extremadamente pequeñas, de modo que la fuerza nuclear comience a actuar, "venciendo" la repulsión eléctrica. Para lograr el acercamiento necesario los núcleos deben chocar a altas velocidades. Los átomos y los núcleos se mueven tanto más rápidamente cuanto más elevada es su temperatura. Esto significa que si se calienta suficientemente uncombustible adecuado, por ejemplo una mezcla de deuterio y tritio, la temperatura hará que las velocidades de los núcleos sean suficientemente altas como para que la fusión se produzca: se habla entonces de fusión termonuclear.
Para que el deuterio y el tritio comiencen a fusionarse en cantidades significativas se requieren temperaturas superiores a los 10 millones de grados centígrados. A estastemperaturas los átomos chocan con tanta fuerza que se rompen, separándose el núcleo (positivo) de los electrones (negativos). Una mezcla de partículas con carga positiva y negativa en cantidades aproximadamente iguales se conoce como plasma. El estado de plasma constituye el cuarto estado de la materia, junto con los más conocidos sólido, líquido y gaseoso.
Si bien no somos conscientes de supresencia, los plasmas aparecen en muchas situaciones de nuestra vida diaria. Por ejemplo, en los tubos fluorescentes, en los carteles luminosos y en el arco producido por una soldadora eléctrica la velocidad de las partículas es muy inferior a la requerida para que ocurra fusión pero suficientemente alta como para que haya pequeñas cantidades de plasma. Entre los plasmas "naturales" a escala...