1. ¿Papi, papi… de donde vienen el oro?:
Durante la vida de una estrella pueden formarse elementos pesados, pero sólo hasta el hierro. Cuando se convierte en Supernova es cuando los elementos más pesados que el hierro se sintetizan, en el denominado “proceso rápido”.
Durante las reacciones nucleares se forman isótopos inestables, es decir, elementos que tienen un tiempo de vida muy corto. La única manera en que podrían llegar a convertirse en elementos estables sería capturando un neutrón. El problema es que generalmente no hay gran abundancia de neutrones libres, ya que la vida media de un neutrón aislado es muy corta también. Es decir, un neutrón decae en unos cuantos minutos en un electrón y un protón.
Cuando una estrella tiene suficientes neutrones como para que un proceso así pueda llevarse a cabo: justamente cuando se da la fotodesintegración del hierro y los electrones se unen a los protones, formándose una cantidad enorme de neutrones libres.
Como justo en este momento también se lleva a cabo la explosión de las capas externas de la estrella, éstas adquieren temperaturas lo suficientemente altas como para iniciar reacciones que conviertan el hidrógeno y helio presentes en elementos más pesados (hasta el hierro). Pero como en ese momento hay tantos neutrones, los isótopos creados pueden capturarlos y de esta forma se forman elementos más allá del hierro (elementos transférricos); donde el oro es solo uno de ellos. Este proceso solo dura unos pocos segundos, siendo algo efímero en comparación con la vida de la estrella.
2. Interacción Fuerte (¿cómo se les ocurrió eso?):
Si tan solo existiera la fuerza gravitatoria y electromagnética, el núcleo sería inestable (ya que las partículas de igual carga se repelerían deshaciendo el núcleo). Asumiendo que de alguna forma eso no parece acontecer, fue necesario sumar una tercera fuerza (se la denomino Fuerza Fuerte). Esta fuerza debía tener una características singular la de ser repulsiva a distancias de un “nucleón” y atractivas entre esta distancia y la del núcleo; para luego ser despreciable; ¿qué combinación no?
3. Defecto Másico (Transmutando la Masa en Energía):
La masa total de un núcleo es siempre menor que la masa total de sus partes constituyentes, debido a la masa equivalente de la “Energía Potencia Negativa” asociada a la fuerza de atracción que mantiene el núcleo unido (Interacción Fuerte). Esta diferencia de masa se denomina “Defecto de Masa” y su equivalencia energética se denomina “Energía de Ligadura”.
1 u = 1.660566 * 10^-27 kg = 1.492 * 10^-10 J = 931,5 MeV
Masa del Protón: M(p) = 1.007276 u
Masa del Neutrón: M(n) = 1.008665 u
Masa del Electrón: M(e) = 0.000549 u
Ejemplo:
Hallar el defecto másico, la energía de enlace total y la energía de enlace por nucleón del Carbono (12).
Solución:
La masa del núcleo y 6 electrones del Carbono (12) es de: 12 u.
M(núcleo átomo): 12 u – (6 * 0.000549 u) = 11.996706 u
M(nucleones): (6 * 1.007276 u) + (6 * 1.008665 u) = 12.095646 u
Defecto Másico: 12.095646 u - 11.996706 u = 0.09894 u
Energía de Enlace Total (o sea la energía equivalente del “Defecto Másico”):
0.09894 u * 931,5 MeV * u^-1= 92.16 MeV
(Esta energía seria la necesaria para separar completamente el átomo de Carbono (12) en sus nucleones constituyentes)
Energía de Enlace por Nucleón: 92.16 MeV / 12 = 7.68 MeV (La casi totalidad de elementos estables poseen una Energía de Enlace por Nucleón entre 6 a 8 MeV)
4. Reacciones Nucleares:
1. Radioactividad Natural:
Los núcleos están compuestos por protones y neutrones, que se mantienen unidos por la denominada fuerza fuerte. Algunos núcleos tienen una combinación de protones y neutrones que no conducen a una configuración estable. Estos núcleos son inestables o radiactivos. Los núcleos inestables tienden a aproximarse a la configuración estable emitiendo ciertas partículas. Los tipos de desintegración radiactiva se clasifican de acuerdo a la clase de partículas emitidas.
Desintegración (Alfa):
El elemento radiactivo de número atómico Z, emite un núcleo de Helio (dos protones y dos neutrones), el número atómico disminuye en dos unidades y el número másico en cuatro unidades, produciéndose un nuevo elemento situado en el lugar Z-2 de la Tabla Periódica.
Desintegración (Beta):
El núcleo del elemento radiactivo emite un electrón, en consecuencia, su número atómico aumenta en una unidad, pero el número másico no se altera. El nuevo elemento producido se encuentra el lugar Z+1 de la Tabla Periódica.
Desintegración (Gamma):
El núcleo del elemento radiactivo emite un fotón de alta energía, la masa y el número atómico no cambian, solamente ocurre un reajuste de los niveles de energía ocupados por los nucleones.
2. Radioactividad Artificial:
1. Procesos Básicos:
1. Reacción Endoenergéticas: (… de “Energía Cinética” a Masa)
He^4 + N^14 --> O^17 + H^1
18.00567 u = (He^4: 4.00260 u + N^14: 14.00307 u)
18.00696 u = (O^17: 16.99913 u + H^1: 1.00783 u)
La suma de las masas en reposo finales es superior a la suma de las masas en reposo iniciales, esta diferencia es la “Energía de la Reacción Nuclear”, y en nuestro caso fue aportada por la “Energía Cinética de las masas Iniciales”, para el caso mencionado:
(0.00129 u = 1,20 MeV).
2. Reacción Exoenergéticas: (… de Masa a “Energía Cinética”)
H^1 + Li^7 --> He^4 + He^4
8.02384 u = (H^1: 1.00783 u + Li^7: 7.01601 u)
8.00520 u = (He^4: 4.00260 u + He^4: 4.00260 u)
La suma de las masas en reposo finales es inferior a la suma de las masas en reposo iniciales, esta diferencia es la “Energía de la Reacción Nuclear”, y en nuestro caso está representada por la “Energía Cinética de las Masas Finales”, para el caso mencionado: (0.01864 u = 17,36 MeV).
2. Procesos Industriales:
El principio físico de las reacciones de fisión y fusión se explica a partir de la energía de enlace por nucleón en función del “Número Másico” (A) del núcleo. Los núcleos con una energía de enlace mayor (50
1. Fisión Nuclear: (Proceso Exoenergético)
La Fisión Nuclear es el proceso de escindir un núcleo pesado en dos o más núcleos livianos.
Tomemos por ejemplo U^235 (un isotopo inestable), que al ser impactarlo con un neutrón en cierto rango de velocidad (baja), se escinde generalmente en dos elementos (el Bario y el Criptón), dotando a estas partículas de una “Energía Cinética aprovechable (de unos 200 MeV)”. En promedio se liberan de 2 a 3 neutrones, posibilitando así una reacción en cadena.
En el proceso de fisión del U^235 se han detectado alrededor de 100 isotopos diferentes de unos 20 elementos distintos, en una serie de desintegraciones sucesivas de estos productos no estables incluso “Radiación Gamma”; se puede lograr un promedio de 15 MeV de ganancia energética extra al sistema.
Central de Fisión Nuclear:
En síntesis la energía de la fisión aparece principalmente en forma de energía cinética de los fragmentos de la fisión, y su resultado inmediato es calentar los elementos del combustible, este calor se transmite mediante el Helio (que llena las Vainas (de Zirconio) donde se aloja el combustible), hasta la superficie exterior de las misma y desde ahí al agua presurizada; este circuito cerrado pasa por un depósito de agua generando vapor, que en última instancia mueve un generador eléctrico. Este sería el esquema básico de un “reactor de agua presurizada”.
Tanto la aplicación de esta tecnología con fines de “Centrales Nucleares” o “Bombas”, el proceso básico es el mismo “Reacción en Cadena”, la diferencia radica en que en las “Centrales Nucleares” es un proceso es controlo debido en parte a la escasa pureza del elemento fisionable y al uso de elementos absorbentes de neutrones (pureza relativa: entre el 3,5% y un 4,5%); en el otro caso la (pureza relativa: alcanza el 90%) y se deja evolucionar sin control.
Comparativa Nuclear (U^235) Vs Química (Carbón):
El promedio actual de una central nuclear es de aproximadamente un tercio, o sea que son necesarios 3000 MW de energía térmica procedentes de la reacción de fisión para obtener 1000MW de energía eléctrica.
Si lo que necesitamos es lograr 3000MW de energía térmica sería equivalente a lograr 3000MJ = 3000 * 10^6 J, siendo: (1W=1J/s), recordemos que la energía de cada fisión de U^235 nos entrega 200 MeV y que 1MeV = 1.6 * 10^-13 J:
200 MeV = (200 MeV * 1.6 * 10^-13 J * MeV^-1) = 3.2 * 10^11 J
Por lo tanto el número de fisiones necesarias por segundos seria:
0.94 * 10^20 = 3000 * 10^6 J / 3,2 * 10^-11 J
Ahora si cada átomo de U^235 tiene una masa 235 nucleones de una masa aproximada a la del protón (1.67 * 10^-27 kg), entonces:
235 * 1.67 * 10^-27 kg = 3.9 * 10^-25 kg
Lo que indica que la masa de U^235 que se debería fisionar por segundo para lograr 3000MW de energía térmica, seria de:
(0.94 * 10^20 * 3.9 * 10^-25 kg) = 3.7 * 10^-5 kg = 37 mg, y diariamente seria:
3.7 * 10^-5 kg/s * 86400 s = 3.2 kg/d, comparado con 10.6 Tn/d de las centrales eléctricas de carbón.
2. Fusión Nuclear: (Proceso Exoenergético)
La Fusión Nuclear es el proceso de unir dos o más núcleos ligeros en uno más pesado. La fusión de dos núcleos de menor masa que el hierro (que, junto con el níquel, tiene la mayor energía de enlace por nucleón) libera energía en general, mientras que la fusión de núcleos más pesados que el hierro absorbe energía.
Cadena Protón-Protón:
Ejemplos de Fusión Nuclear de este tipo, son:
H^1 + H^1 --> H^2 + e^0
2.01566 u = (H^1: 1.00783 u * 2)
2.01465 u = (H^2: 2.01410 u + e^0: 0.000549 u)
Fusionamos dos núcleos de Hidrogeno dando como resultado un núcleo de Deuterio y un Positrón.
Ganancia energética: (0.00101 u = 0.94 MeV)
H^2 + H^1 --> H^3 + Radiación Gamma
3.02193 u = (H^2: 2.01410 u + H^1: 1.00783 u)
3,01713 u = (H^3: 3.01603 u + Gamma: (0.000549 u * 2))
Fusionamos un núcleo de Deuterio y otro de Hidrogeno dando como resultado un núcleo de Tritio y Radiación Gamma.
Ganancia energética: (0.0048 u = 4.47 MeV)
H^3 + H^3 --> He^4 + H^1 + H^1
6.03206 u = (H^3: 3.01603 u * 2)
6.01830 u = (He^4: 4.00264 u + (H^1: 1.00783 u * 2))
Fusionamos dos núcleos de Tritio dando como resultado un núcleo Helio y dos núcleos de Hidrogeno.
Ganancia energética: (0.01376 u = 12.82 MeV)
H^2 + H^3 --> He^4 + n
5,03013 u = (H^2: 2.01410 u + H^3: 3.01603 u)
5,01131 u = (He^4: 4.00264 u + n: 1.008665 u)
Fusionamos un núcleo de Deuterio y otro de Tritio dando como resultado un núcleo Helio y un Neutrón.
Ganancia energética: (0,01882 u = 17.53 MeV)
El deuterio y el tritio son dos isótopos del hidrógeno. El deuterio es estable y muy abundante en el agua. El tritio es radioactivo y no existe en la naturaleza pero puede producirse a gran escala mediante la irradiación de litio con neutrones. El principal producto de esta reacción de fusión es el helio que no es radioactivo, aunque el neutrón producido a elevadas energías puede activar los materiales que envuelven el reactor.
Las condiciones para obtener un importante ritmo de fusión (Deuterio-Tritio) son las más fáciles de conseguir, los reactantes deben tener una energía cinética de unos 10 keV (correspondiente a una temperatura ligeramente superior a 100 millones de K).
Central de Fusión Nuclear:
Una central de fusión nuclear podría estar basada en la reacción de (Deuterio-Tritio). Aproximadamente el 80% de esta reacción genera “neutrones con una energía cinética de 14 MeV”, estos neutrones escapan al confinamiento magnético (puesto que son partículas sin carga) y son absorbidos por la envoltura generadora de Tritio (también llamada Manto Fértil) que rodea la cámara de vacío. Esta envoltura contiene Litio que mediante reacciones con los neutrones que escapan del plasma se transforma en Tritio y Helio mediante las reacciones siguientes:
a. L^6 + n --> He^4 + H^3
7,023665 u = (L^6: 6,01500 u + n: 1.008665 u)
7,018670 u = (He^4: 4.00264 u + H^3: 3.01603 u)
Fisionamos un átomo de Litio^6 usando un Neutrón dando como resultado un átomo Helio y uno de Tritio.
Ganancia energética: (0,004995 u = 4,65 MeV)
b. L^7 + n --> He^4 + H^3 + n
8,024665 u = (L^7: 7,01600 u + n: 1.008665 u)
8,027335 u = (He^4: 4.00264 u + H^3: 3.01603 u + n: 1.008665 u)
Fisionamos un átomo de Litio^7 usando un Neutrón dando como resultado un átomo Helio, uno de Tritio y un Neutrón.
Perdida energética: (0,00267 u = 2,49 MeV)
El Litio natural contiene un 92.5% de Li^7 y un 7.5% de Li^6.
El espesor del manto fértil debe ser lo suficientemente grande (del orden de un metro) para frenar los neutrones de 14 MeV producidos en las reacciones de fusión. Al frenar los Neutrones, el manto fértil se calienta. Por su interior circula el refrigerante que extrae este calor al exterior para producir vapor de agua que finalmente se utilizará para generar electricidad. El Tritio producido en el manto se separa del Helio y se recupera para inyectarlo en el plasma como combustible.
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