Fisión nuclear y fusión nuclear son diferentes tipos de reacciones que emiten energía debido a la presencia de enlaces atómicos de alta potencia entre las partículas que se encuentran en núcleos. En fisión, el átomo se rompe (fisiona) en dos o más átomos más pequeños. En contraste, en fusión, se unen dos o más átomos pequeños, creando uno más pesado.
Tabla de comparación
 | Fisión Nuclear | Fusión Nuclear |
|---|---|---|
| Definición | Fisión es la división de un átomo grande en 2 ó más átomos más pequeños | Fusión es la unión de 2 ó más áromos livianos en uno grande |
| Ocurrencia natural | La reacción de fisión no ocurre de forma normal en la naturaleza | La fusión ocurre en las estrelllas, como el Sol |
| Productos de la reacción | Partículas altamente radioactivas | Pocas partículas radioactiva, pero si se usa un inicio basado en fisión, esa reacción produce partículas radioactivas |
| Condiciones | Masa crítica de la sustancia y neutrones a alta velocidad son necesarios | Ambiente de alta densidad y temperatura alta es requerido |
| Energía necesaria | Toma poca energía (relativa) el dividir átomos en fisión | Toma una enorme cantidad de energía para acercar dos protones lo suficiente para sobreponerse a las fuerzas nucleares de repulsión electrostática |
| Energía liberada | La energía liberada en fisión es un millón de veces más grande que la que se libera en reacciones químicas, pero menos que en fusión | La energía liberada en fusión es 3-4 veces más que en fisión |
| Arma nuclear | Una clase de arma nuclear en la bomba de fisión, también conocida como bomba atómica | Una clase de arma nuclear es la bomba de hidrógeno, que usa fisión para crear una reacción de fusión |
| Producción de energía | Se usa fisión en plantas nucleares | Fusión sigue siendo sólo una tecnología experimnetal para producción de energía |
| Combustible | Uranio es el combustible principal de las plantas nucleares | Isótopos de hidrógeno (deuterio y tritio) son el combustible principal de fusión |
Definiciones
La fusión nuclear es la reacción en que dos o más núcleos se combinan, formando un elemento nuevo con un número atómico más alto (más protones en el núcleo). La energía que se libera en fusión está relacionada con la famosa fórmula de Albert Einstein E = mc 2 (que relaciona masa y energía). En la Tierra, la reacción más probable es la de deuterio-tritio, que son isótopos de hidrógeno.
2 1Deuterium + 3 1Tritium = 42He + 10n + 17.6 MeV
Fisión nuclear es la división o rotura de un núcleo masivo en fotones en la forma de rayos gama, neutrones libres y otras partículas subatómicas. En una típica reacción nuclear que envuelva Uranio 235 (uno de sus isótopos) y un neutrón:
23592U + n = 23692U
seguido de
23692U = 14456Ba + 89 36Kr + 3n + 177 MeV
Física de fisión vs. fusión
Los átomos se mantienen unidos por dos de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza: los enlaces nucleares débiles y los fuertes. La cantidad total de energía dentro de los enlaces atómicos se llama "energía de enlace". Mientras más energía de enlace hay dentro del átomo, más estable es. Además, los átomos tratan de llegar a ser más estables aumentando su energía de enlaces.
El núcleo de un átomo de hierro es el más estable encontrado en la naturaleza, y ni fusiona ni se divide. Por esto es que hierro está al tope de la curva de energía de enlaces. Para núcleos atómicos más livianos que el hierro y el níquel, la energía puede ser extraída combinando los núcleos de hierro y níquel en fusión. En contraste, para núcleos átomos más pesados que hierro y níquel, la energía se puede liberar mediante fisión (división) de los núcleos.
La idea de romper el núcleo fue producto de Ernest Rutherford, físico británico nacido en Nueva Zelandia. Su idea también llevó al descubrimiento del protón.
Condiciones para fisión y fusión
Fisión sólo puede ocurrir en los isótopos grandes que contengan más neutrones que protones en el núcleo, que conlleva a un ambiente relativamente inestable. Aunque los científicos no comprenden por completo aún porqué la inestabilidad ayuda al proceso de fisión, la teoría general es que un número grande de protones crean una enorme fuerza de repulsión entre sí y que tener neutrones de menos o de más crean "brechas" que debilitan los enlaces nucleares, resultando en radiación (descomposición a nivel de partículas). Estos núcleos grandes con más "brechas" se pueden "dividir" por el impacto de neutrones termales, los llamados neutrones "lentos."
Las condiciones tienen que ser las correctas para que la reacción de fisión ocurra. Para que fisión se sostenga por sí misma, la sustancia debe alcanzar masa crítica (una masa mínima de reacción). Si es muy poca la masa afectada, la reacción dura fracciones de segundos. Si se alcanza masa crítica muy rápido, que significa que se sueltan demasiados neutrones en nanosegundos (billonésimas de segundo), la reacción se vuelve explosiva (una bomba nuclear) y no tienen una liberación útil y controlable de enorme energía.
Los reactores nucleares son mayormente sistemas de fisión controlados que usan campos magnéticos para contener los neutrones emitidos. Esto crea una relación de más o menos uno-a-uno, que quiere decir que emerge un neutrón por cada neutrón de impacto. Como este número varía en proporciones matemáticas bajo lo que se conoce como una distribución de Gauss, el campo magnético se debe mantener para que el reactor nuclear funcione y barras de control se deben usar para mantener el control de la velocidad (más lento o más rápido) de la actividad de los neutrones,
La fusión ocurre cuando dos elementos más livianos son obligados a unirse por enormes energías, productos de calor y presión, hasta que su convierten en otro isótopo y liberan energía. La energía necesaria para comenzar una reacción de fusión es tan alta que toma una explosión atómica para producirla. Sin embrago, una vez comienza fusión, en teoría se puede sostener y seguir liberando energía siempre y cuando sea controlada y los isótopos fusionantes estén presentes.
La forma más común de fusión es la que ocurre en las estrellas, y se denomina "fusión D-T", refiriéndose a los dos isótopos de hidrógeno llamados deuterio y tritio. Deuterio tiene 2 neutrones y tritio tiene 3, ambos más que el único protón de hidrógeno. Esta característica hace que la fusión sea más fácil porque sólo hay que sobrellevar la carga entre dos protones para la fusión. La fusión tiene que exceder la fuerza repelente de protones (que tiene carga positiva; los neutrones no tienen carga) y para ello deben alcanzar una temperatura de 81 millones de grados Fahrenheit (45 millones Kelvin = 43 millones Celsius) para lograr la fusión D-T. Para comparar, la temperatura al centro del Sol está como a 27 millones de grados Fahrenheit (15 millones Celsius).
Una vez se logre esta temperatura, la fusión tiene que ser contenida por suficiente tiempo para generar plasma, uno de los 4 estados de la materia (sólido, líquido y gas siendo los otros). El resultado es la liberación de energía de la reacción D-T, produciendo helio (un gas noble que es inerte a cualquier reacción) y neutrones libres que se pueden usar para "sembrar" en otros átomos de hidrógeno para generar más reacciones de fusión. Por ahora, no hay maneras seguras de inducir la temperatura inicial de fusión o de contener la reacción de fusión para lograr un estado de plasma constante, pero los esfuerzos continúan a nivel global.
Un tercer tipo de reactor se llama reactor reproductor. Funciona usando fisión para crear plutonio que se puede usar para sembrar (crear isótopos) de otros elementos (mayormente uranio) o como combustible para otros reactores. Reactores reproductores son usados extensamente en Francia, pero son prohibitivamente caros y requieren medidas de seguridad extensas, ya que el producto de estos reactores se puede usar para crear bombas nucleares.
Reacción en cadena
Las reacciones de fisión nuclear y fusión nuclear son reacciones en cadena, que significa que un evento nuclear causa al menos otro evento nuclear, y a menudo, más de uno. El resultado puede ser un ciclo incrementante de reacciones que rápidamente pueden llegar a ser descontroladas. Este tipo de reacción nuclear puede suceder por múltiples divisiones de isótopos pesados (235 U) o la unión de isótopos livianos (2H and 3H).
Las reacciones de cadena de fisión ocurren cuando os neutrones bombardean isótopos inestables. Este tipo de proceso de "impacto y dispersión" es difícil de controlar, pero las condiciones iniciales son relativamente fáciles de lograr. Una reacción de cadena de fusión se desarrolla sólo bajo condiciones extremas de presión y temperatura que se mantiene estables por la energía liberada del proceso de fusión. Ambas condiciones, inicial y estabilizantes, son difíciles de lograr con la tecnología existente.
Relaciones de energía
Las reacciones de fusión liberan de 3-4 veces más energía que las reacciones de fisión, Aunque no hay sistemas de fusión en el mundo, las emisiones del Sol son típicos de producción de energía mediante fusión ya que constantemente convierten isótopos de hidrógeno en helio, emitiendo espectros de luz y calor. La fisión genera su energía rompiendo una fuerza nuclear (la fuerte) y liberando una tremenda cantidad de calor que se usa para calentar agua (en un reactor) que entonces se usa para generar electricidad (energía). La fusión rompe las 2 fuerzas nucleares (fuerte y débil) y la energía liberada se puede usar directamente para correr un generador, así que no sólo libera más energía, sino que se puede usar sin proceso intermedio.
Uso de energía nuclear
El primer reactor nuclear experimental para producción d e energía comenzó a operar en Chalk River, Ontario en el 1947. La primera facilidad de energía nuclear en los E.U., el Experimental Breeder Reactor-1, fue lanzado poco después, en el 1951. Generaba suficiente energía para encender 4 bombillas. En 1954, E.U, lanzó el primer submarino nuclear, el U.S.S. Nautilus, mientras que la Unión Soviética inauguró el primer reactor nuclear para generación de energía a gran escala, en Obninsk. Los E.U. inauguraron su primera facilidad de producción nuclear un año después, en Arco, Idaho (población: 1,000 personas).
La primera facilidad comercial para producción de energía usando reactores nucleares fue Calder Hall Plant, en Windscale (ahora Sellafield), Gran Bretaña. También fue el sitio del primer accidente nuclear, en 1957, cuando se desató un incendio por razón de fugas de radiación.
La primera planta a gran escala en E.U. fue la de Shippingport, Pennsylvania, en 1957. Entre 1956 y 1973, casi 40 reactores nucleares de producción de energía fueron lanzados en E.U., la máa grande siendo Unit One en la Estación de Zion Nuclear Power, en Illinois, con capacidad de 1,155 megavatios. Ningún otro reactor ordenado desde entonces ha entrado en función, aunque otros han comenzado operaciones desde 1973.
Los franceses lanzaron su primer reactor nuclear, el Fénix, con capacidad de 250 megavatios, en el 1973. El reactor más potente de E.U., el Trojan Power Plant (1,135 MW), abrió en 1976, en Oregon. Para el 1877, E.U, tenía 63 plantas nucleares en, aportando un 3% de la necesidad energética de la nación. Otros 70 reactores estaban previstos para entrar en operación antes de 1990.
Cuando Unit Two en Three Mile Island sufrió un colapso parcial, soltó gases inertes (xenón y kriptón) al ambiente. El movimiento anti-nuclear cobró fuerza de los temores causados por este incidente. Los temores cobraron aún más fuerza cuando la Unidad 4 de Chernobyl, en Ucrania, sufrió una reacción descontrolada en 1985. La misma explotó la facilidad, regando material radioactivo por el área y gran parte de Europa. Durante la década de los 1990, Alemania y especialmente Francia expandieron sus plantas nucleares, enfocando en reactores más pequeños y por ende más controlables. China lanzó sus primeros dos reactores nucleares en el 2007, produciendo un total de 1,866 MW.
Aunque la energía nuclear es tercera en la lista de megavatios globales producidos, detrás de carbón e hidroeléctrico, el empuje a cerrar plantas nucleares, unido a los aumentos en costos de construir y operar dichas facilidades, ha creado una reducción en el uso de energía nuclear para generar electricidad. Francia es líder mundial en el porcentaje nacional de electricidad producida por reactores nucleares, pero en Alemania, el uso de facilidades solares ha rebasado las nucleares como productoras de energía.
E.U, aún tiene más de 60 facilidades en operación, pero iniciativas electorales y las edades de los reactores han cerrado plantas en los estados de Oregon y Washington, mientras que docenas de reactores son el blanco de protestas por grupos ambientalistas. AL presente, sólo China parece que va a expandir su número de plantas nucleares, porque busca reducir su dependencia extrema en carbón (el factor principal de su contaminación ambiental) y buscando una alternativa a importar petróleo.
Preocupaciones
El temor a la energía nuclear viene de sus extremos, tanto como arma como fuente de energía, La fisión de un reactor crea material de desperdicio que es inherentemente peligroso (vea abajo) y pude usarse para las llamadas "bombas nucleares sucias" (de altísima radiación). Aunque varios países, entre ellos Alemania y Francia, tienen historiales excelentes con sus facilidades nucleares, otros ejemplos menos positivos, como Three Mile Island, Chernobyl y Fukushima, han creado renuencia en muchas personas acerca de la energía nuclear, aunque es mucho más segura y menos dañina que el petróleo. Podría llegar el día en que los reactores de fusión sean una fuente viable y eficiente de producción de energía, pero sólo si las condiciones extremas de comenzar fusión y manejarla se pueden controlar.
Desperdicios nucleares
El desperdicio de fisión es radioactivo y toma miles de años para perder sus niveles peligrosos de radiación. Esto significa que los reactores de fisión nuclear también tienen que tener protocolos para el manejo y disposición de sus desperdicios, con transporte seguro hasta almacenes en lugares desolados. Para más información sobre este tema, lea sobre el manejo de desperdicios radioactivos.
Ocurrencias naturales
En la naturaleza, fusión ocurre en las estrellas, como el Sol. En la Tierra, fusión nuclear se logró por primera vez en la creación de la bomba de hidrógeno. Fusión también se ha usado en diferentes aparatos experimentales, muchos de ellos con la esperanza de producir energía de forma controlada.
Por otro lado, fisión es un proceso nuclear que no ocurre normalmente en la naturaleza, porque requiere una masa enorme y un neutrón incidental (de impacto). Aún así, han habido ejemplos de fisión nuclear en reactores naturales. Esto fue descubierto en el 1972 donde en unos depósitos de uranio en una mina de Oklo, República de Gabón, se halló evidencia de una reacción natural de fisión ocurrida hace 2 billones de años.
Efectos
En breve, si una reacción de fisión se descontrola, o explota o el reactor que la genera se derrite hasta formar una pila grande de desperdicio radioactivo. Estas explosiones o colapsos pueden soltar toneladas de partículas radioactivas en el aire y cualquier superficie del área (tierra o agua), contaminando todo cada vez más mientras prosiga la reacción. En contraste, una reacción de fusión que se descontrola (pierde el balance de neutrones) lo que hace es volverse más lenta y pierde temperatura hasta detenerse. Esto es lo que le sucede a las estrellas cuando convierten su hidrógeno en helio y pierden ese elemento base a través de miles de años de expulsión. La fusión produce muy poco desperdicio radioactivo. Si hay algún daño, ocurrirá en las cercanías inmediatas del reactor y nada más.
Es mucho más seguro usar fusión para producir energía, pero se usa fisión porque toma menos energía romper átomos que fusionar dos átomos. Además, los cambios tecnológicos necesarios para controlar fusión no se han desarrollado todavía.
Uso de armas nucleares
Todas las armas nucleares requieren una reacción de fisión nuclear para funcionar, pero bombas de fisión "puras," aquellas que usan una reacción de fisión solamente, son conocidas como bombas atómicas. Las bombas atómicas fueron probadas en Nuevo México (E.U.) en el 1945, a las alturas de la Segunda Guerra Mundial. En ese mismo año, E.U. usó dos de ellas en contra de las ciudades japonesas de Hiroshima y Nagasaki.
Desde la bomba atómica, muchas de las armas nucleares que se han propuesto y/o creado tienen reacciones de fisión aumentadas (por ejemplo, armas de fisión incrementadas, bombas radiológicas y bombas de neutrones.) Las armas termonucleares, armas que usan fisión y fusión a base de hidrógeno, son de los adelantos más conocidos. Aunque la idea de una bomba termonuclear se propuso desde 1941, no fue hasta la década de los 1950 que se probó la bomba H (de hidrógeno). A diferencia de bombas atómicas, las bombas de hidrógeno no se han usado en guerras, sólo en pruebas (ej: Tsar Bombs).
Hasta la fecha, ningún arma nuclear hace uso de fusión solamente, aunque programas de defensa a nivel gubernamental han invertido mucho dinero en esa posibilidad.
Costo
Fisión es una forma poderosa de producción de energía, pero viene con ineficiencias naturales. El combustible nuclear, usualmente Uranio 235, es caro para minar y purificar. La reacción de fisión crea calor que se usa para hervir agua y crear vapor que gira una turbina para generar electricidad. esta transformación de energía termal a energía eléctrica es tediosa y cara. Una tercera fuente de ineficiencias es que la limpieza y almacenaje de desperdicios radioactivos es sumamente caro, obligando protocolos de manejo, transporte y seguridad extensos para proteger a la ciudadanía.
Para que fusión suceda, los átomos deben estar confinados en el campo magnético y elevados a una temperatura de cerca de 100 millones de grados Kelvin, o más. Esto toma una enorme cantidad de energía (se usan bombas atómicas o lasers para proveer esa "chispa"), pero también hay que contener el campo de plasma para producción de energía a largo plazo. Investigadores todavía están tratando de dominar los retos porque fusión es una forma más segura y más poderosa de generar energía, y por ende constaría menos que fisión.
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