sábado, 7 de septiembre de 2019

¿Por qué la fusión y la fisión nuclear -ambas- generan energía?

Recuerdo haber estudiado la energía generada por las reacciones nucleares en primero de carrera, allá por el siglo pasado. La verdad es que no le dedicamos más de dos o tres semanas a este tipo de ejercicios, ya que enseguida pasamos a temas más tocantes a la ingeniería civil (las fases eutécticas en aleaciones, la corrosión electrolítica, etc.).

Y sin embargo la pregunta tan elemental que planteo en el título creo que nunca se la hice a mi profesora, Amparo, o a mi padre, también químico (o, si lo hice, lo he olvidado). Con 20 años de retraso he buscado la respuesta, veamos: 

En principio si una reacción es exotérmica (produce energía), su reacción inversa es endotérmica (la absorbe). Entonces, ¿por qué tanto la fusión como la fisión nuclear son exotérmicas? ¿puede ser que la energía generada en ambos procesos provenga de sacrificar masa de nucleones y transformarla en energía según E=m·c2

Efectivamente, esa es la respuesta, pero no sucede del modo más intuitivo, haciendo desaparecer nucleones para generar energía: 

En fusión la reacción más típica es la transformación de dos isótopos del hidrógeno en helio:



Mientras que en fisión la reacción más típica es la ruptura de un núcleo de uranio -en su isótopo U235- que puede descomponerse en diversas formas, siendo una muy frecuente esta:


Sumando protones y neutrones antes y después de cada reacción vemos que tanto en la fusión como en la fisión nuclear el número de nucleones previos a la reacción es igual al número de nucleones resultantes, y esto se cumple sean cuales sean los elementos que fusionemos o fraccionemos. ¿Qué tipo de masa es entonces la que se ha descompuesto? Aquí viene lo contraintuitivo: los nucleones -protones y neutrones- no tienen masa constante. Aunque todos ellos estén compuestos por tres quarks, en función del elemento de cuyo núcleo forman parte tienen una masa u otra. La forma en que esta masa varía es inversamente proporcional a la energía de interacción nuclear fuerte por partícula, lo que nos da la clave de la energía generada en ambos procesos.



Los nucleones de los elementos más ligeros que el hierro tienen más masa por separado que formando parte de los núcleos de ese conjunto de elementos. Esta tendencia se invierte a partir del hierro y el níquel, que son los elementos más compactos o con mayor energía de enlace por nucleón. Por tanto, existe una tendencia de los elementos ligeros a fusionarse para avanzar en la tabla periódica hacia el hierro, liberando energía.

Dado que se da una diferencia de masas  

∑m{nucleones previos a la fusión} > ∑m{nucleones posteriores a la fusión}

Entonces  E=(∑m{nucleones previos a la fusión}-∑m{nucleones posteriores a la fusión})·c²


En los elementos de núcleos mayores que el del hierro es al contrario, éstos tienden a fisionarse para lograr núcleos más compactos, de mayor energía de enlace por nucleón, de nuevo en transición hacia el Fe; en estos procesos se cumple que:

∑m{nucleones posteriores a la fusión} > ∑m{nucleones previos a la fusión}

y en el proceso liberan E=(∑m{nucleones posteriores a la fusión}-∑m{nucleones previos a la fusión})·c²

Y es por esto que, como comenté en esta entrada, las estrellas no pueden generar por fusión elementos más pesados que el hierro, las reacciones de fusión posteriores no generarían energía neta sino que la demandarían, así que una vez escalada la tabla periódica desde el hidrógeno hasta el hierro la estrella agota su combustible de fusión e implosiona. Es en esta última fase en la que se crean los elementos más pesados que el hierro.

A hablar del zoológico de partículas elementales o de cromodinámica cuántica ya no me atrevo, para eso me faltan un par de cursos de una carrera distinta :-)