Tema 8: La energía de Fusión: fundamentos, combustible, seguridad. Flashcards
Desintegración alfa.
- Partícula alfa: núcleo de Helio (4He, 2 protones y 2 neutrones).
- Se da en elementos pesados (número másico A > 100)
Desintegración beta.
- Mediada por la interacción nuclear débil.
- Mecanismo a través del cual un quark cambia de sabor (ej: quark up en protón se convierte en down -> protón se convierte en neutrón)
- Ocurre en núcleos fuera del valle de estabilidad (cuando hay exceso de protones o neutrones)
- Desintegración beta- : neutrón (aislado o confinado) se convierte en protón emitiendo un electrón y un antineutrino.
- Desintegración beta+ : protón dentro de núcleo se convierte en neutrón emitiendo un positrón y un neutrino.
Desintegración gamma.
- Se da en núcleos con exceso de energía (excitados).
- Núcleo emite fotón (se conservan los números atómicos y másicos).
Fisión espontánea.
- Núcleo muy pesado se divide espontáneamente en 2 núcleos más ligeros, emitiendo cierto número de neutrones.
Emisión de nucleones.
- Se da en núcleos excitados (energía mayor como para vencer fuerza nuclear fuerte).
- El núcleo puede emitir protón o neutrón.
Reacciones nucleares.
- Proceso en el que dos nucleidos interaccionan para formar uno o más nucleidos diferentes de lo que había al inicio.
Defecto de masa.
- Masa nucleidos iniciales > nucleidos finales –> exotérmica.
- Masa nucleidos iniciales < nucleidos finales –> endotérmica.
- Cuanto mayor sea energía de ligadura, más estable será el nucleido.
Sección eficaz
- Indica probabilidad de que ocurra una reacción.
Fusión nuclear.
- Reacción que da lugar a un nucleido con número másico mayor que el de cada uno de los nucleidos iniciales.
Ciclo protón - protón.
- Tiene lugar en el Sol.
- 4p → 4He + 2e− + 2v- + 26,732MeV
Reacciones de fusión de isótopos de hidrógeno.
- Son reacciones exotérmicas.
- Importantes para la producción energética.
- Es necesaria una energía de activación (energía necesaria para superar la fuerza electromagnética).
- 2H + 3H → 4He(3,5MeV)+ 1n(14,1MeV)
- 2H + 2H → 3H(1,01MeV) + 1H(3,02MeV) → 3He(0,82MeV) + 1n(2,45MeV)
- 2H + 3He → 4He(3,6MeV) + 1p(14,7MeV)
Límite de la fusión exotérmica.
- Las reacciones de fusión dejan de ser exotérmicas cuando el elemento resultante es más pesado que el 62Ni.
Plasma.
- Es un estado de la materia.
- Se produce bajo condiciones de extrema temperatura: los enlaces de la materia se rompen y también los enlaces de los electrones de valencia.
- Se obtienen electrones libres e iones positivos.
- El plasma tiene similitudes con un gas, se expande con la temperatura.
Tipos de confinamiento de plasma.
- El confinamiento es fundamental para evitar la expansión y que los nucleidos estén lo suficientemente cerca.
- Confinamiento por gravedad: en las estrellas la gravedad del plasma compensa la presión interna debida a la temperatura.
- Confinamiento electromagnético: con campos electromagnéticos (el plasma está formado por partículas cargadas).
- Confinamiento inercial: por aceleración de la materia.
Pico de Gamow.
- Pico de penetración de la barrera Coulombiana.
- Rangos de energía de máxima eficiencia para la producción de reacciones de fusión (por efecto túnel).
Tasa de reacción.
- Número de colisiones o reacciones de fusión por unidad de volumen y unidad de tiempo (R).
- R = n1 · n2 · σ · v
R == tasa de reacción (1/cm^3·s)
n1 == densidad de partículas incidentes (1/cm^3)
n2 == densidad de partículas en el blanco (1/cm^3)
σ == sección eficaz de la reacción de fusión (cm^2)
v == velocidad relativa de las partículas (cm/s)
Densidad de potencia.
- Energía liberada por fución por unidad de volumen y tiempo.
P = R · Q
P == densidad de potencia (MeV/cm^3·s)
R == tasa de reacción (1/cm^3·s)
Q == energía neta liberada por cada reacción de fusión (MeV)
Propiedades del plasma.
- Muy buena conductividad eléctrica.
- Por su alta conductividad el interior del plasma está apantallado frente a campos eléctricos ctes. pero no frente a campos magnéticos ctes.
- No tiene forma ni volumen definido (como los gases).
- El plasma puede formar estructuras complejas (filamentos o capas) en presencia de campo magnético.
Condiciones de creación de plasma.
- Temperaturas muy elevadas (decenas de millones de K) -> keV
- Energías mucho mayores que potencial de ionización.
Parámetros del plasma.
- Longitud característica (longitud de Debye).
- Frecuencia característica (frecuencia de plasma).
- Parámetro colisional característico (parámetro de plasma).
- Lo ideal es que el plasma tenga alta frecuencia y alto valor de parámetro y baja longitud de Debye.
Autoblindaje frente al resto de partículas del plasma
Nube de carga opuesta alrededor de cada partícula hace que se produzca un apantallamiento de la partícula frente al resto.
Longitud de Debye.
Define la distancia de autoapantallamiento en el plasma del campo electrostático de cada partícula.
Fusión en las estrellas
- En estrellas con temperatura interna inferior a 15·10^6 K: fusión protón-protón
- En estrellas masivas: proceso dominante es el ciclo CNO
- En estrellas con temperatura interna > 100·10^6 K: proceso triple alfa
Creación de elementos más pesados que el hierro (no se producen por fusión).
- Por captura de neutrones (aumenta número másico) -> suelen decaer por desintegración beta y aumentan el número atómico.
· Proceso s (slow)
· Proceso r (rapid) - Proceso p (absorción de protones, menos común)
Criterio de Lawson.
- Establece criterio de ignición de las reacciones de fusión mediante un balance de energía entre:
· Temperatura (T)
· Tiempo de confinamiento (tau)
· Densidad (n)
Confinamiento magnético.
- El plasma de baja densidad a elevadas temperaturas se mantiene confinado mediante campos magnéticos (helicoidales).
- Tokamak: parte del campo magnético es generado por una corriente eléctrica que circula por el propio plasma.
- Stellarator: todo el campo magnético se produce con solenoides helicoidales externos.
Confinamiento inercial.
- Diminuta cápsula de combustible se comprime inercialmente mediante láseres muy potentes (muy alta densidad -> muchas reacciones en poco tiempo)
