¿Por qué la fusión nuclear genera energía?

La fusión nuclear genera energía porque los átomos que se fusionan tienen más energía separados que cuando están juntos en un único núcleo.

La diferencia de energía (que no necesitan cuando están fusionados) es la energía generada a la que se refiere la pregunta.

—————

Algunas definiciones importantes:

La energía requerida para que los nucleones se enlacen (se fusionen), se denomina energía de enlace nuclear (“nuclear binding energy” en inglés).

Los “nucleones” son las partículas que hay en el núcleo, protones y neutrones.

El número de masa atómica, A, es el número N de neutrones más el número atómico Z (número de protones), es decir, A = N + Z. O sea que el número de nucleones es el número A de masa atómica.

En general, cada tipo de elemento químico, tiene varios isótopos, es decir, forma núcleos con ese número de protones pero con diferente cantidad de neutrones. Entonces, aunque tengan el mismo Z, tienen diferente A.

El primer elemento químico (Z = 1) es el hidrógeno (H). El H tiene tres isótopos; existen átomos de hidrógeno sin neutrones, “hidrógeno liviano” (A=1, Z=1, N=0), “hidrógeno pesado” o “deuterio” (A=2, Z=1, N=1), y finalmente “hidrógeno ultrapesado” o “tritio”, que tiene 2 neutrones (A=3, Z=1, N=2).

—————

Cuando dos átomos como los de H se acercan tanto que pueden actuar las fuerzas nucleares, los dos protones se enlazan (se fusionan) formando un núcleo de helio (He, Z=2), sin necesitar energía de enlace. Al contrario, les sobra energía y entonces, esa diferencia se libera.

Ésta es una energía de enlace “negativa” porque no la necesitan para fusionarse. En este caso es al revés, los protones del núcleo de He requieren esa cantidad de energía para separarse en dos núcleos de H.

A partir de la ecuación E = mc^2 (publicada por primera vez por Einstein en 1905), se puede interpretar que los átomos que se fusionan liberando energía tienen más masa cuando están separados que cuando están juntos, fusionados en un núcleo más pesado.

Así, un protón de H tiene más masa que un protón de He.

¿Extraño, no? ¡¡ Así es la naturaleza !!

—————

Lo dicho antes (que la energía de enlace es negativa favoreciendo la fusión), no sucede con todos los isótopos, sino con los más livianos, desde el que tiene 1 nucleón (el H, A = 1) hasta los isótopos que tienen unos 56 a 62 nucleones, que son el hierro-56, hierro-58 y níquel-62.

La curva de el valor absoluto E de la energía de enlace nuclear por nucleón (E/A versus A) tiene un máximo para esos tres isótopos (Fe-56, Fe-58, Ni-62).

Por el contrario, para isótopos más pesados (a la derecha de esta curva) la energía de enlace es positiva, o sea, es necesario invertir energía para fusionardos (debido a la gran repulsión de tantos protones en el núcleo).

—————

Consecuentemente, la curva E/A vs. A nos muestra que para obtener energía nuclear hay dos opciones:

(1) fusionar átomos livianos, porque al unirse tienen menos energía, o bien,

(2) fisionar átomos pesados, porque al separarse tienen menos energía.

En ambos casos el ‘negocio’ está en que se puede aprovechar la diferencia de energía liberada.

La fusión nuclear permite formar los primeros elementos en la naturaleza. Las estrellas comienzan fusionando hidrógeno, luego helio, y así sucesivamente la naturaleza fabrica elementos hasta los isótopos recién mencionados que tienen la mayor E/A. Por esta razón el hierro y el níquel son tan abundantes y componen los núcleos de los planetas rocosos.

Los elementos más pesados requieren energía para unir átomos menores, por lo tanto, no pueden obtenerse de este modo; tienen que fabricarse de otra manera (por ejemplo, en explosiones colosales de supernovas).

La fusión nuclear también es el mecanismo utilizado en las terribles bombas termonucleares que nos amenazan desde que comenzó la Guerra fría (las que afortunadamente, aún no se han utilizado en alguna guerra).

Por otro lado, la fisión nuclear es lo que se usa (descontroladamente) en las bombas atómicas (como las 2 bombas utilizadas contra Japón en 1945) y (controladamente) en las centrales nucleoeléctricas donde se fisionan átomos muy pesados, principalmente uranio-235 y uranio-238.

Febrero 1, 2018. jlgiordano@hotmail.com