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electro quimica

21.8: Fusión nuclear

 

Objetivos de aprendizaje

 

         

  • Describa las reacciones nucleares en una reacción de fusión nuclear

    •      

  • Cuantifique la energía liberada o absorbida en una reacción de fusión

    •  

 

 

El proceso de convertir núcleos muy ligeros en núcleos más pesados ​​también se acompaña de la conversión de masa en grandes cantidades de energía, un proceso llamado fusión . La principal fuente de energía en el sol es una reacción de fusión neta en la que cuatro núcleos de hidrógeno se fusionan y producen un núcleo de helio y dos positrones. Esta es una reacción neta de una serie de eventos más complicada:

 

[ ce {4 ^ 1_1H ⟶ ^ 4_2He + 2 ^ 0 _ {+ 1} n} ]

 

Un núcleo de helio tiene una masa que es 0.7% menor que la de cuatro núcleos de hidrógeno; Esta masa perdida se convierte en energía durante la fusión. Esta reacción produce aproximadamente 3.6 × 10 11 kJ de energía por mol de ( ce {^ 4_2He} ) producido. Esto es algo mayor que la energía producida por la fisión nuclear de un mol de U-235 (1.8 × 10 10 kJ), y más de 3 millones de veces mayor que la energía producida por la combustión (química) de un mol de octano (5471 kJ).

 

Se ha determinado que los núcleos de los isótopos pesados ​​de hidrógeno, un deuterón, (^ 2_1H ) y un tritón, (^ 3_1H ), se fusionan a temperaturas extremadamente altas (fusión termonuclear). Forman un núcleo de helio y un neutrón:

 

[ ce {^ 2_1H + ^ 3_1H ⟶ ^ 4_2He + 2 ^ 1_0n} ]

 

Este cambio continúa con una pérdida de masa de 0.0188 amu, correspondiente a la liberación de 1.69 × 10 9 kilojulios por mol de ( ce {^ 4_2He} ) formado. La temperatura muy alta es necesaria para dar a los núcleos suficiente energía cinética para superar las fuerzas repulsivas muy fuertes que resultan de las cargas positivas en sus núcleos para que puedan colisionar.

 

Figura ( PageIndex {1} ): Fusión de deuterio con tritio creando helio-4, liberando un neutrón y liberando 17,59 MeV de energía, como una cantidad apropiada de formas de cambio de masa a aparecen como la energía cinética de los productos, de acuerdo con la cinética (E = Δmc ^ 2 ), donde Δm es el cambio en la masa de partículas en reposo. [Uso de la imagen con permiso a través de Wikipedia (Wykis)

 

El proceso de fusión más importante en la naturaleza es el que alimenta a las estrellas. En el siglo XX, se dio cuenta de que la energía liberada por las reacciones de fusión nuclear representaba la longevidad del Sol y otras estrellas como fuente de calor y luz. La fusión de núcleos en una estrella, a partir de su abundancia inicial de hidrógeno y helio, proporciona esa energía y sintetiza nuevos núcleos como un subproducto de ese proceso de fusión. El principal productor de energía en el Sol es la fusión de hidrógeno para formar helio, que ocurre a una temperatura del núcleo solar de 14 millones de grados Kelvin. El resultado neto es la fusión de cuatro protones en una partícula alfa, con la liberación de dos positrones, dos neutrinos (que transforman dos de los protones en neutrones) y energía (Figura ( PageIndex {2} )).

 

Figura ( PageIndex {2} ): (izquierda) El Sol es una estrella de secuencia principal, y por lo tanto genera su energía por fusión nuclear de núcleos de hidrógeno en helio. En su núcleo, el Sol fusiona 620 millones de toneladas métricas de hidrógeno por segundo. (derecha) La cadena protón-protón domina en estrellas del tamaño del Sol o más pequeñas.

 

 

Ejemplo ( PageIndex {1} )

 

Calcule la energía liberada en cada uno de los siguientes procesos hipotéticos.

 

         

  1. ( ce {3 ^ 4_2He rightarrow ^ {12} _6C} )

    2.      

  2. ( ce {6 ^ 1_1H + 6 ^ 1_0n rightarrow ^ {12} _6C} )

    3.      

  3. ( ce {6 ^ 2_1D rightarrow ^ {12} _6C} )

    4.  

  Comenta tus resultados.

 

         

  1. (Q_a = 3 times 4.0026 – 12.000) , amu times (1.4924 times 10 ^ {- 10} , J / amu) = 1.17 times 10 ^ {- 12} , J )

    2.      

  2. (Q_b = (6 times (1.007825 + 1.008665) – 12.00000) , amu times (1.4924 times 10 ^ {1-0} J / amu) = 1.476 times 10 ^ {- 11} , J )

    3.      

  3. (Q_c = 6 times 2.014102 – 12.00000 , amu times (1.4924 times 10 ^ {- 10} , J / amu) = 1.263 times 10 ^ {- 11} , J ) [ 19459006]
     

 

La fusión de ( ce {He} ) para dar ( ce {C} ) libera la menor cantidad de energía, porque la fusión para producir Él ha liberado una gran cantidad. La diferencia entre el segundo y el tercero es la energía de unión del deuterio. La conservación de la masa y la energía se ilustra bien en estos cálculos. Por otro lado, el cálculo se basa en la conservación de la masa y la energía.

 

 

Reactores nucleares

 

Las reacciones de fusión útiles requieren temperaturas muy altas para su iniciación, alrededor de 15,000,000 K o más. A estas temperaturas, todas las moléculas se disocian en átomos y los átomos se ionizan, formando plasma. Estas condiciones ocurren en un número extremadamente grande de lugares en todo el universo: las estrellas funcionan con fusión. Los humanos ya han descubierto cómo crear temperaturas lo suficientemente altas como para lograr la fusión a gran escala en armas termonucleares. Un arma termonuclear como una bomba de hidrógeno contiene una bomba de fisión nuclear que, cuando explota, emite suficiente energía para producir las temperaturas extremadamente altas necesarias para que ocurra la fusión.

 

Two photos are shown and labeled “a” and “b.” Photo a shows a model of the ITER reactor made up of colorful components. Photo b shows a close-up view of the end of a long, mechanical arm made up of many metal components.
Figura ( PageIndex {3} ): (a) Este modelo es del reactor Reactor Termonuclear Experimental Internacional (ITER). Actualmente en construcción en el sur de Francia con una fecha de finalización prevista para 2027, el ITER será el reactor experimental de fusión nuclear Tokamak más grande del mundo con el objetivo de lograr una producción de energía sostenida a gran escala 10 veces. (b) En 2012, la Instalación Nacional de Encendido del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore produjo brevemente más de 500,000,000,000 de vatios (500 teravatios, o 500 TW) de potencia máxima y entregó 1,850,000 julios (1.85 MJ) de energía, la energía láser más grande jamás producida y 1000 veces el uso de energía de todo Estados Unidos en un momento dado. Aunque duraron solo unas pocas billonésimas de segundo, los 192 láseres alcanzaron las condiciones necesarias para la ignición de fusión nuclear. Esta imagen muestra el objetivo antes del disparo láser. (crédito a: modificación del trabajo de Stephan Mosel)

 

Otra forma mucho más beneficiosa de crear reacciones de fusión es en un reactor de fusión , un reactor nuclear en el que se controlan las reacciones de fusión de núcleos ligeros. Como los materiales sólidos no son estables a temperaturas tan altas, los dispositivos mecánicos no pueden contener el plasma en el que se producen las reacciones de fusión. Dos técnicas para contener plasma a la densidad y temperatura necesarias para una reacción de fusión son actualmente el foco de intensos esfuerzos de investigación: contención por un campo magnético y por el uso de rayos láser enfocados (Figura ( PageIndex {3} )). Varios proyectos grandes están trabajando para lograr uno de los objetivos más importantes de la ciencia: lograr que el combustible de hidrógeno se encienda y produzca más energía que la cantidad suministrada para alcanzar las temperaturas y presiones extremadamente altas que se requieren para la fusión. En el momento de escribir este artículo, no existen reactores de fusión autosostenibles en funcionamiento en el mundo, aunque las reacciones de fusión controlada a pequeña escala se han llevado a cabo durante períodos muy breves. Colaboradores

 

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