Fisión y fusión nuclear – generación de electricidad

La física nuclear es un campo de la ciencia que explora las propiedades y el comportamiento del núcleo atómico. Comprender esto nos ayuda a aprovechar las reacciones nucleares para diversas aplicaciones, especialmente la generación de energía. Los dos procesos fundamentales en la física nuclear que producen energía son la fisión nuclear y la fusión nuclear.

Fisión nuclear

La fisión nuclear es una reacción en la que un núcleo pesado se divide en dos núcleos más pequeños, liberando algunos neutrones y una gran cantidad de energía. Este proceso se utiliza en plantas de energía nuclear para producir electricidad.

Cómo funciona la fisión nuclear

Imagina un átomo pesado como el uranio-235. Cuando un neutrón golpea este núcleo de uranio, se vuelve inestable y se divide en dos núcleos más pequeños. Esta división, o fisión, libera neutrones adicionales y una cantidad significativa de energía. Estos neutrones liberados pueden luego colisionar con otros núcleos de uranio, provocando más reacciones de fisión. Esto se llama reacción en cadena.

La reacción básica de fisión se puede representar como:

        ^{235}_{92}U + ^{1}_{0}n rightarrow ^{236}_{92}U rightarrow ^{140}_{56}Ba + ^{93}_{36}Kr + 3^{1}_{0}n + text{Energía}
        ^{235}_{92}U + ^{1}_{0}n rightarrow ^{236}_{92}U rightarrow ^{140}_{56}Ba + ^{93}_{36}Kr + 3^{1}_{0}n + text{Energía}
    

Aquí, el núcleo de uranio-235 absorbe un neutrón, se divide en bario-140 y criptón-93, liberando tres neutrones más y energía.

Reacción en cadena

Una reacción en cadena en la fisión nuclear ocurre cuando los neutrones liberados de un evento de fisión provocan más eventos de fisión. Si no se controla, este proceso puede volverse muy rápido y liberar explosivamente grandes cantidades de energía, como en las armas nucleares. Sin embargo, en las plantas de energía, la reacción se controla para usar la energía de manera segura.

Se utilizan barras de control hechas de materiales como cadmio o boro para absorber neutrones excesivos, controlando así el proceso. Esta gestión de neutrones ayuda a mantener la tasa deseada de fisión para la producción continua de energía.

Aplicaciones de la fisión nuclear

La energía producida por la fisión nuclear se utiliza principalmente para generar electricidad. Las plantas de energía nuclear funcionan de la misma manera que las plantas de combustibles fósiles, pero utilizan el calor de la fisión en lugar de quemar carbón. El calor convierte el agua en vapor, que luego impulsa turbinas conectadas a generadores eléctricos.

Fusión nuclear

La fusión nuclear es el proceso en el que dos núcleos atómicos más ligeros se combinan para formar un núcleo más pesado, liberando energía. La fusión es el proceso que alimenta al sol y las estrellas, y proporciona una fuente potencial abundante de energía en la Tierra.

¿Cómo funciona la fusión nuclear?

En la fusión, se necesitan condiciones de temperatura y presión extremadamente altas para acercar los núcleos de dos átomos lo suficiente como para superar las fuerzas de repulsión entre ellos. A estas altas temperaturas, los electrones se separan, dejando a los núcleos cargados positivamente (iones) libres para colisionar. Cuando los núcleos se acercan mucho, la fuerza nuclear los une, logrando la fusión.

Una reacción de fusión simple involucra isótopos de hidrógeno - deuterio y tritio. La fusión de deuterio y tritio produce un núcleo de helio, un neutrón y energía, como se muestra en la reacción:

        ^{2}_{1}H + ^{3}_{1}H rightarrow ^{4}_{2}He + ^{1}_{0}n + text{Energía}
        ^{2}_{1}H + ^{3}_{1}H rightarrow ^{4}_{2}He + ^{1}_{0}n + text{Energía}
    

La posibilidad de la energía de fusión

La energía de fusión tiene varias ventajas sobre la fisión. En primer lugar, los combustibles utilizados en la fisión (deuterio y tritio) son más abundantes que el uranio o el plutonio. El agua contiene abundante deuterio, y el litio, del cual se puede obtener tritio, es abundante en la corteza terrestre.

En segundo lugar, la fusión produce residuos radiactivos de larga duración mínimos en comparación con la fisión. Además, no hay posibilidad de una reacción incontrolable como en los reactores de fisión porque mantener las altas temperaturas y presiones necesarias para la fusión es un desafío inherente.

Los desafíos de la fusión

El principal desafío para aprovechar la energía de fusión es mantener las condiciones necesarias para la fusión - temperaturas y presiones extremas - el tiempo suficiente para extraer la energía. Los científicos están trabajando en diversos métodos, como el confinamiento magnético (tokamaks) y el confinamiento inercial, para lograr reacciones de fusión.

Comparación entre fisión y fusión

Comprender tanto la fisión como la fusión revela sus fortalezas y limitaciones. Aquí hay una comparación simple:

Aspecto	Fisión	Fusión
Combustible	Uranio-235, Plutonio-239	Deuterio, Tritio
Rendimiento energético	Alto	Potencialmente más
Residuos radiactivos	Importantes	Mínimos
Control de la reacción	Posible con barras de control	Difícil de mantener actualmente

Conclusión

Tanto la fisión nuclear como la fusión ofrecen rutas para la producción de energía a gran escala. La fisión se utiliza actualmente en plantas de energía nuclear alrededor del mundo, mientras que la fusión tiene un prometedor futuro. Al investigar y mejorar constantemente estos procesos, buscamos encontrar soluciones sostenibles para satisfacer nuestras necesidades energéticas.

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