Fisica General Burbano

752 EL NÚCLEO ATÓMICO
Fig. XXX-40.– Esquema del JET (Joint European Torus).
A pesar del éxito del JET faltan algunos años (para la década del 2030)
hasta que funcione la primera central eléctrica de fusión; el trabajo a realizar
es de tal magnitud que sus costes van a ser sufragados por la Unión Europea,
Canadá, la Federación Rusa y Japón, que han acordado construir un
laboratorio para investigar en común, el ITER (International Thermonuclear
Experimental Reactor).
Es muy posible que el esquema del JET (Fig. XXX-40) sea el mismo que
el de las futuras centrales. La mayor parte de la energía desprendida en las
reacciones de fusión es transportada por neutrones rápidos que, al no ser
confinados por el campo magnético, alcanzan la cubierta de litio, cediendo
energía cinética en forma de calor. Este es absorbido por un circuito refrigerador
y, siguiendo a continuación un proceso similar al de los reactores de fisión,
se transformará en energía eléctrica en la turbina de un alternador. En
la reacción de los neutrones con litio se producen tritio, que se inyecta en el
reactor para mantener la reacción, y helio, que se separa como residuo.
Fig. XXX-41.– Posible estructura de
una bomba atómica de fisión.
XX – 41. Bombas atómicas
Se distinguen dos tipos de bombas que corresponden a los procesos de
fisión de uranio o plutonio (bomba atómica o bomba A) y de fusión (bomba de hidrógeno o bomba
H).
El problema de la bomba atómica se centraba a fines de 1942 en obtener plutonio o en separar
del metal uranio el isótopo U-235. En el año 1945, en la ciudad de Hanford, de 60 000 habitantes,
construida y dedicada expresamente a la resolución del problema expuesto, la producción
de U-235 y plutonio se había conseguido en la escala necesaria. La fabricación de la bomba se
realizó en Los Álamos (Nuevo Méjico) bajo la dirección del profesor de la Universidad de California
Robert Oppenheimer, de 38 años. A sus órdenes trabajaron Fermi, Bohr, Chadwick, etc.
Una posible estructura de esta bomba es la de la figura XXX-41; el material fisionable debe
disponerse inicialmente de forma que sea subcrítico, lo que se consigue repartiendo la masa total
en partes separadas.
Mediante un explosivo químico convencional se comprime el material fisionable formando una
masa total superior a la crítica, a la vez que se hace entrar en acción una fuente de neutrones que
inician la reacción en cadena. Esta se desarrolla en unos 10 –7 s, a partir de los cuales el conjunto
se hace subcrítico; la potencia generada después proviene de la desintegración de los productos de
fisión. El material de la bomba se expande rápidamente y calienta el aire circundante formando
una bola de fuego y una onda explosiva de efectos devastadores.
En la bomba de hidrógeno la mayor parte de la energía se produce mediante una reacción termonuclear
activada por la explosión inicial de una bomba de fisión. La energía generada por la fisión
calienta el material fusionable hasta una temperatura superior a la de ignición, la energía producida
a continuación es mucho mayor que en la bomba de fisión debido a que la masa fusionable
no está limitada por la condición de que sea subcrítica antes de la explosión.
XXX – 42. El origen de los elementos
EL fenómeno de la fusión, que suministra energía a las estrellas, es el responsable de la formación
de los distintos elementos químicos.
Tanto en distintos puntos de la corteza terrestre como en meteoritos, la proporción en que se
encuentran los distintos elementos es la misma; esto sugiere que todos ellos se han formado mediante
el mismo proceso, que tiene lugar en las estrellas y que comienza cuando una gran masa de
hidrógeno se contrae gravitacionalmente formando una de ellas. La transformación de energía
potencial gravitoria en energía cinética comunica al hidrógeno la agitación térmica suficiente
para iniciar fusiones termonucleares. Este estado se alcanza cuando la densidad es del orden de
10 5 kg/m 3 y la temperatura se ha elevado a 10 7 K; se verifica el ciclo protón-protón y se libera
energía que tiende a hacer expansionarse el gas contrarrestando así la contracción gravitacional.
Paralelamente a la formación de helio se produce un número proporcionalmente pequeño de
otras reacciones que dan origen a elementos como litio, berilio o boro.
El helio producido, más pesado que el hidrógeno, se concentra en la zona central, en la que la
temperatura se eleva hasta 10 8 K debido a la nueva pérdida de energía potencial producida por
dicha concentración. En esta zona, dos núcleos de He-4 al fusionarse producirán uno de Be-8, el
cuál es muy inestable y se desintegrará al cabo de 10 – 16 s dando de nuevo He-4; sin embargo, debido
a la alta concentración de helio, es posible que durante su corta vida el berilio-8 reaccione
con un núcleo de helio-4, en cuyo caso se forma un núcleo de carbono-12, que es estable. El C-12
producido interviene en la formación de helio a partir de hidrógeno, según el cielo de Bethe, contribuyendo
por tanto al incremento de la temperatura.
Conforme aumenta la temperatura, núcleos cada vez más pesados tienen la energía cinética
suficiente para vencer la barrera electrostática y fusionarse, en choques cuya frecuencia se incrementa
al aumentar la densidad. Así, por sucesivas capturas de He-4, se van formando, a partir de
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