Reacciones nucleares, fisión y fusión
Calcula el enlace, la energía de reacción, las tasas y la diferencia entre eventos nucleares y potencia útil.
Avanza del lenguaje de los isótopos a las ecuaciones de reacción, los valores Q, las secciones eficaces, las reacciones en cadena, la fusión en plasma y los experimentos asistidos por red.
Antes de empezar
- • Átomos y radiación del nivel 1
- • Mecánica y conservación de la energía
- • Razonamiento exponencial básico
Al terminar, podrás
- • Equilibrar la carga y el número de nucleones en las reacciones.
- • Calcular los valores Q de una reacción a partir de las diferencias de masa.
- • Explicar las cadenas de fisión y las barreras de la fusión.
- • Separar los productos detectados, el rendimiento de la reacción, la salida térmica y la potencia neta.
Modelo interactivo
Explora antes de calcular
Lección 1 de 3
Ecuaciones de reacción y valores Q
¿Qué cantidades conservadas identifican una reacción nuclear posible y su liberación de energía?
Las ecuaciones nucleares conservan la carga eléctrica, el número de nucleones, la energía total, el momento y el momento angular. La diferencia de masa en reposo aparece como energía cinética o como radiación.
El valor Q es la energía en reposo inicial menos la final. Un Q positivo significa que se libera energía, aunque la reacción pueda seguir encontrándose con una barrera de activación o de Coulomb.
Ejemplo resuelto
Los productos tienen 0.005 u menos de masa que los reactivos. Estima la energía liberada usando 931.5 MeV/u.
- 1. Usa Q = Δm c².
- 2. Multiplica 0.005×931.5 MeV.
- 3. Conserva las cifras significativas.
Q ≈ 4.66 MeV por reacción.
Pruébalo
Equilibra las fichas de reacción
Materiales: Fichas etiquetadas con p, n, deuterón, alfa, electrón y fotón.
- 1. Elige las fichas de los reactivos.
- 2. Propón unos productos.
- 3. Cuenta la carga y el número de nucleones a ambos lados.
- 4. Descarta los canales que incumplen la conservación antes de hablar de su probabilidad.
Fíjate: La conservación reduce las posibilidades, pero no determina la probabilidad de la reacción.
Comprueba lo que entendiste: ¿Un Q positivo garantiza que la reacción ocurra deprisa a temperatura ambiente?
Respuesta: No.
Las barreras cinéticas, las reglas de selección y unas secciones eficaces diminutas pueden suprimir reacciones permitidas por energía.
Lección 2 de 3
Cadenas de fisión y barreras de fusión
¿Por qué pueden liberar energía tanto partir núcleos pesados como unir núcleos ligeros?
La energía de enlace por nucleón crece hacia la región del hierro. Tanto la fisión de núcleos pesados como la fusión de núcleos ligeros pueden llevar los productos hacia un enlace más fuerte.
La fisión puede multiplicar neutrones y formar una reacción en cadena. La fusión exige energía de colisión y confinamiento suficientes para vencer la repulsión y lograr una probabilidad de reacción útil.
Ejemplo resuelto
Un plasma de fusión tiene 10 MW de entrada de calentamiento y 15 MW de salida de fusión. ¿Cuánto vale Q_plasma?
- 1. Define Q = potencia de fusión/potencia de calentamiento.
- 2. Calcula 15/10.
- 3. No confundas el Q del plasma con la potencia eléctrica neta de la planta.
Q_plasma = 1.5; la potencia total de la instalación y las pérdidas de conversión siguen determinando la electricidad neta.
Pruébalo
Modelo de probabilidad de una reacción en cadena
Materiales: Dados y una hoja de trabajo de ramificación.
- 1. Haz que cada neutrón produzca dos sucesores solo con ciertos resultados del dado.
- 2. Ejecuta reglas de probabilidad subcríticas y supercríticas.
- 3. Representa el tamaño de cada generación.
- 4. Relaciona la probabilidad con el factor de multiplicación.
Fíjate: Pequeños cambios en la reproducción media deciden si una cadena se apaga o crece.
Comprueba lo que entendiste: ¿Por qué la potencia de fusión del plasma no es lo mismo que la electricidad de la red?
Respuesta: También hay que contar el calentamiento, los imanes, las bombas, la conversión y las cargas de la instalación.
La potencia neta de la planta usa una frontera de sistema más amplia que la potencia de fusión dentro del plasma.
Lección 3 de 3
Tasas de reacción, detectores y potencia neta
¿Cómo se escalan —o no se escalan— unos pocos productos nucleares hasta convertirse en una fuente de energía útil?
La tasa de reacción depende de la densidad de partículas, de la sección eficaz, de la velocidad relativa, de la geometría y del tiempo. La eficiencia del detector convierte las emisiones reales en cuentas observadas.
Una firma nuclear estadísticamente significativa puede establecer que hay reacciones sin establecer que hay calor útil. La calorimetría, los fondos, los controles químicos y la entrada eléctrica completa son líneas de evidencia distintas.
Ejemplo resuelto
Un detector con un 10% de eficiencia registra 500 cuentas de la fuente por encima del fondo.
- 1. Eficiencia = detectadas/incidentes.
- 2. Estima los eventos incidentes como 500/0.10.
- 3. Declara los supuestos de geometría.
Unas 5000 emisiones llegaron a la aceptancia del detector; el total de reacciones puede ser mayor según el ángulo sólido y la ramificación.
Pruébalo
De las cuentas a la potencia, peldaño a peldaño
Materiales: Un conjunto de datos de conteo hipotético y una calculadora.
- 1. Resta el fondo con su incertidumbre.
- 2. Corrige por la eficiencia y la geometría del detector.
- 3. Convierte las reacciones inferidas en energía usando el valor Q.
- 4. Compáralo con el calor medido y con la potencia de entrada.
Fíjate: Cada conversión añade supuestos; una señal puede ser nuclear y aun así energéticamente despreciable.
Comprueba lo que entendiste: ¿Qué medición adicional hace falta antes de que un conteo de neutrones respalde una afirmación de energía neta?
Respuesta: Un balance de energía calibrado de todo el sistema, normalmente con calorimetría y todas las entradas.
Las cuentas establecen partículas, no automáticamente energía útil total.
De la fórmula al significado
Lee la ecuación en lenguaje corriente.
Q = (m_initial − m_final)c²
La diferencia de masa de una reacción se convierte en energía liberada o absorbida.
Unidades: J or MeV
R ∝ n₁n₂⟨σv⟩
La tasa de reacción de fusión depende de las densidades y de la sección eficaz promediada en velocidad.
Unidades: reactions/(m³·s)
N_detected = εN_incident
La eficiencia del detector enlaza las partículas incidentes con las cuentas registradas.
Unidades: counts
Práctica independiente
Serie de problemas
Resuelve cada problema antes de abrir la pista y la solución.
1. Un defecto de masa es de 0.0020 u. Estima Q en MeV.
Ver la pista
Multiplica por 931.5 MeV/u.
Ver la solución
Unos 1.86 MeV.
2. Un detector con un 5% de eficiencia registra 200 cuentas netas. Estima las partículas incidentes en su aceptancia.
Ver la pista
Divide entre 0.05.
Ver la solución
4000 partículas.
3. Un sistema entrega 120 W de calor con 150 W de entrada eléctrica. ¿Cuál es la potencia neta medida?
Ver la pista
Salida menos entrada para la frontera declarada.
Ver la solución
−30 W; consume potencia neta.
Sigue hacia la evidencia
Próxima lectura, con sus fuentes
Capítulo 12: Fusión por confinamiento en red
Productos medidos, mecanismos y la frontera honesta de la energía neta.
Clase 12: La imagen integrada de la fusión por confinamiento en red
Sitúa la evidencia nuclear sobre la espina dorsal disciplinaria completa.
Fuentes y evidencia
Sigue directamente las fuentes de reacción, de detector y de replicación.