Cómo explicar el proceso de fusión nuclear.

Answer 1

El poder de fusión proviene de reacciones exotérmicas donde múltiples núcleos atómicos se combinan para formar un átomo más pesado y liberar una gran cantidad de energía en el proceso. Un reactor de fusión nuclear es un dispositivo que confina y controla el plasma para la generación de energía. Tokamaks, spheromaks, pinches de campo invertido, híbridos de fusión por fisión, fusores, pocillos y reactores de fusión por confinamiento inercial son reactores nucleares bien conocidos en la técnica.

La velocidad relativa de dos núcleos reactivos y la probabilidad de reacción de la sección transversal de un evento son los impulsores de las reacciones de fusión. La energía necesaria para eliminar un electrón del hidrógeno, por ejemplo, una reacción de fusión bien conocida, requiere 13,6 eV.

D + T → α (3.5 MeV) + n (14.1 MeV)

En la reacción de hidrógeno DT, se fusiona un núcleo inestable de 5He que inmediatamente expulsa un neutrón de 14.1MeV y retrocede un núcleo de 4He con 3.5MeV de energía adicional. La energía total liberada es 17.6MeV en el evento de reacción de fusión DT. El retroceso de 3.5MeV de α es mucha energía para cumplir con el próximo requisito de evento de fusión de 13.6eV. En un plasma confinado magnéticamente, la mayor parte de la α puede quedar atrapada para entregar la mayor parte de su energía al plasma mismo.

Del total de la reacción de 17.6MeV, suponga, por ejemplo, que 3.5MeV se está conservando en el plasma confinado magnéticamente. Generalmente hablando sin una forma de moderación de neutrones, el neutrón de 14.1MeV generado en la reacción de fusión (p DT, n) escapará. Otra energía que sale de la reacción incluye el poder perdido por bremsstrahlung (p brems) y los iones que escapan (p perdido). Bremsstrahlung también se genera a partir de impurezas en reactivos o de impurezas de la pared del reactor que impactan con plasma. La energía perdida por los neutrones no térmicos, iones y bremsstrahlung son conceptos bien conocidos en el arte de la pérdida de energía de fusión nuclear.

La ignición es una reacción de fusión nuclear autosostenida básica. La ignición se alcanza cuando toda la energía en el α es suficiente para mantener la reacción. La recirculación de energía considerada pérdida en el ejemplo de reacción de fusión nuclear ayuda a la ignición. En el ejemplo de reacción de combustible DT, 4keV es la temperatura bien conocida para la ignición. En la reacción de combustible DD, 20keV es la temperatura bien conocida para la ignición. La recirculación de energía considerada pérdida en una reacción es un concepto bien conocido de reactor de fusión nuclear en la técnica.

El Criterio de Lawson es un cálculo de las condiciones requeridas para que un reactor de fusión alcance la ignición. El equilibrio energético es el concepto central del criterio de Lawson y puede explicarse como potencia neta.

Eficiencia × (Fusión – Pérdida de radiación – Pérdida de conducción)

La potencia neta en el concepto central del Criterio de Lawson es potencia más allá de lo que se necesita internamente al reactor para que el proceso avance en un reactor nuclear. La eficiencia se expresa como cuánta energía se requiere para operar el dispositivo y qué tan bien recolecta energía. La fusión es la tasa de energía generada por las reacciones de fusión. La radiación puede entenderse como la energía perdida cuando la luz sale del plasma. La conducción puede entenderse como la energía perdida, a medida que la masa abandona el plasma.

Una explicación adicional del Criterio de Lawson para un reactor nuclear supone que cualquier reactor contendrá un plasma caliente que tenga una curva de energía gaussiana. Basado en esa suposición, Lawson muestra la tasa de energía de fusión producida por un plasma.

Densidad de combustible A × Densidad de combustible B × Sección transversal × Energía por reacción

La densidad (partículas por unidad de volumen) es la densidad numérica de los reactivos (o quizás solo un combustible). La sección transversal es una medida de la probabilidad de un evento de fusión, en función de la temperatura del plasma. La energía por reacción es la energía producida en cada reacción de fusión.

El Criterio de Lawson contiene mucho más mérito cuando se cuenta el “producto triple” del tiempo de confinamiento, la densidad y la temperatura del plasma. El tiempo de confinamiento (τ) mide la tasa de cuánta energía pierde un sistema en su entorno y se expresa, W se muestra como la densidad de energía (contenido de energía por unidad de volumen).

τ = Pérdida W / P

El valor mínimo del producto triple a T = 14keV ha sido reportado entre 3.0 – 5.0 · 10 ^ 21 keV m ^ (- 3) s, para la reacción DT. Lawson Criterion es un conocido concepto de reactor de fusión nuclear en la técnica.

El punto de equilibrio científico es generalmente cuando el poder de reacción de fusión es suficiente para mantener la reacción. La ignición es generalmente el objetivo de la fusión nuclear y el punto de equilibrio es la capacidad de una reacción nuclear para lograr este objetivo. El punto de equilibrio científico es un conocido concepto de reactor de fusión nuclear en la técnica.

El equilibrio comercial es generalmente cuando la relación de estado estable de la potencia de fusión generada y la potencia requerida para mantener el plasma fundido es ventajosa para la construcción de una planta de fusión nuclear calculada junto con el precio spot de la electricidad en una región determinada. El equilibrio comercial es un concepto bien conocido de reactor de fusión nuclear en la técnica.

Las densidades y temperaturas numéricas suficientemente grandes requeridas para la fusión nuclear son a menudo tanto un obstáculo para la ignición como la recirculación de la energía de reacción al plasma para alcanzar el punto de equilibrio. Se requieren grandes cantidades de energía para aplicar a los sistemas de fusión para lograr estas condiciones con la esperanza de un factor de ganancia de energía de fusión adecuado para la ignición.

Espero que esto te ayude mucho.

Frank Cunnane

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Answer 2

En solo unos pocos párrafos, uno no puede explicar algo tan complejo como la fusión nuclear. Hay cientos de libros sobre el tema. La gente hace doctorados en este campo, para aprender y comprender qué sucede y cómo, al fusionar dos átomos en uno.

En el sentido más simple, la fusión nuclear significa fusionar dos átomos en uno, que es más grande, más pesado y más complejo. El núcleo de un átomo se une y forma parte del otro átomo. El núcleo de cada uno consistía en uno o más protones, y generalmente uno o más neutrones. Los protones, que tienen cargas similares, deben repelerse entre sí; pero de hecho, se unen estrechamente; y antes de la fusión, los dos núcleos deberían repelerse entre sí, pero de hecho se fusionan.

Uno podría esperar que se necesita una gran cantidad de energía para empujar un núcleo hacia otro, y de hecho eso es cierto. Pero el proceso también libera una gran cantidad de energía. De hecho, toda la producción de energía de nuestro sol, o de cualquier estrella, proviene de la fusión nuclear en lo profundo de la estrella.

Se puede hacer que la fusión nuclear ocurra a una escala relativamente pequeña, lo que sucede en este planeta cuando detonamos una bomba de hidrógeno. Pero en el universo, la fusión nuclear requiere la fusión de una enorme masa, las grandes cantidades de materia que se unen para formar una estrella. Si una gran cantidad de masa se fusiona, pero no lo suficiente como para desencadenar el proceso de fusión y convertirse en una estrella, tenemos un planeta gigante gaseoso, como Júpiter, el planeta más grande y pesado de nuestro sistema solar.

La fusión nuclear se lleva a cabo solo para los elementos más ligeros, comenzando con el hidrógeno y subiendo al hierro. Para los elementos sobre el hierro, la energía se libera no por fusión nuclear, sino por fisión nuclear, que es la ruptura de núcleos, creando dos átomos más ligeros a partir de un solo átomo pesado.

Si realmente quieres entender la fusión nuclear, y su contraparte nuclear de fisión, tendrás que estudiar física, en gran profundidad y durante muchos años. De lo contrario, deberá contentarse con explicaciones superficiales y superficiales, como acabo de describir.

Answer 3

Un átomo es la unidad constituyente más pequeña de la materia ordinaria que tiene las propiedades de un elemento químico. Cada sólido, líquido, gas está compuesto de átomos. Cada átomo está compuesto por un núcleo y uno o más electrones unidos al núcleo. El núcleo está formado por uno o más protones y, por lo general, un número similar de neutrones. Los protones y los neutrones se llaman nucleones. Más del 99.94% de la masa de un átomo está en el núcleo. Fusión, en física, es la combinación de dos núcleos para formar un átomo más pesado. El elemento más ligero en la tabla periódica es HIDRÓGENO que consiste en un solo protón cargado positivamente y un solo electrón cargado negativamente unido al núcleo.

Cuando dos núcleos se unen, se fusionarán con un rendimiento de energía, y de ahí el término “energía nuclear”. Esto se puede observar porque la masa de la combinación resultante será menor que la suma de las masas de los núcleos individuales que se fusionaron. El mejor ejemplo de fusión nuclear que resulta en energía es el Sol.

El calor y la luz provenientes del Sol son el resultado del proceso de fusión que ocurre en el interior del núcleo del Sol. En esta zona, las presiones son millones de veces más que la superficie de la Tierra, y la temperatura alcanza más de 15 millones de Kelvin. Aquí es donde ocurre la fusión en el sol. El proceso de fusión en el Sol se conoce como la cadena protón-protón. El Sol comienza con protones y, a través de una serie de pasos, los convierte en helio. La masa total de helio es menor que la masa combinada de los protones que entraron en él, la diferencia es la energía.

Primero, dos pares de protones se fusionan, formando dos deuterones (partícula estable, que contiene un protón y un neutrón) . Luego, cada deuterón se fusiona con un protón adicional para formar Helio-3, un isótopo de helio ligero y no radiactivo con dos protones y un neutrón. Dos núcleos de helio-3 se fusionan para crear berilio-6, pero este elemento es inestable y pronto se desintegra en dos protones y un helio-4, el más abundante de los dos isótopos naturales de helio. La reacción también libera dos neutrinos, dos positrones y rayos gamma.

El átomo de helio-4 tiene menos energía que los 4 protones que se fusionaron; Todo el calor y la luz del Sol provenían de esta reacción de fusión. Cada segundo, 600 millones de toneladas de hidrógeno se convierten en helio (las estimaciones varían). Esta reacción libera una tremenda cantidad de calor y energía.

¡Espero que ayude!

Answer 4

[No tome mis palabras 100% verdad, podría estar equivocado]

La explicación más fácil es tomar dos o más núcleos de un elemento (por lo general, elementos más ligeros como el hidrogeno o el helio) y fusionarlo para formar un núcleo más pesado (este proceso es similar al Sol, pero replicarlo aquí en la Tierra es casi imposible) Un reactor de fusión nuclear funciona pero no es eficiente). Hacer esto libera mucha energía de la que se necesita hasta llegar al hierro donde la energía es más exigente.

Esto se debe a que necesita temperaturas extremadamente altas y una presión intensa, lo cual es muy difícil de replicar aquí.

Answer 5

¿Cómo lo explico? Depende de a quién se lo explique. Si se lo explico a alguien que sabe qué es una sección transversal de captura y qué es el túnel cuántico, se lo explicaría de una manera, si se lo explico a los niños de secundaria o preparatoria, lo hago de otra manera.

De esa última manera, no tengo mucho que agregar a la respuesta de Tsunami: se trata de unir núcleos atómicos para formar un elemento con un número atómico más alto. Para los elementos ligeros, la fusión libera más energía de la necesaria para superar la repulsión eléctrica, pero una vez que te acercas al hierro, la fusión comienza a exigir energía en lugar de liberarla.

Es por eso que la mayoría de las personas están interesadas en la fusión de hidrógeno en helio, o incluso la fusión de helio en litio o berilio, lo cual es importante en los procesos estelares como describe el proceso de triple alfa. ¡Pero esto solo sucede cuando la temperatura central es seis veces más alta que la del Sol!