FISIÓN Y FUSIÓN NUCLEAR

Fisión nuclear

La fisión nuclear es una reacción en la cual al hacer incidir neutrones sobre un núcleo pesado, éste se divide en dos núcleos, liberando una gran cantidad de energía y emitiendo dos o tres neutrones.

Fue descubierta por O. Hahn y F. Strassmann en 1938, al detectar elementos de pequeña masa en una muestra de uranio puro irradiada con neutrones.

El proceso de fisión es posible por la inestabilidad que tienen los núcleos de algunos isótopos de elementos químicos de alto número atómico, como por ejemplo el uranio 235, debido a la relación existente entre el número de partículas de carga eléctrica positiva (protones) y el número de partículas nucleares de dichos núcleos (protones y neutrones).

 

Basta una pequeña cantidad de energía como la que transporta el neutrón que colisiona con el núcleo, para que pueda producirse la reacción de fisión. A su vez, los neutrones emitidos en la fisión de un núcleo pueden ocasionar nuevas fisiones al interaccionar con nuevos núcleos fisionables que emitirán nuevos neutrones y así sucesivamente. A este efecto multiplicador se le conoce con el nombre de reacción en cadena.

 

La primera reacción de fisión en cadena sostenida la consiguió Enrico Fermi en 1942, en la Universidad de Chicago. En una pequeña fracción de segundo, el número de núcleos que se han fisionado libera una energía un millón de veces mayor que la obtenida al quemar un bloque de carbón o explotar un bloque de dinamita de la misma masa.

 

Cuando se consigue que sólo un neutrón de los liberados produzca una fisión posterior, el número de fisiones que tienen lugar por segundo es constante y la reacción está controlada.

En este principio de fisión están basados los 436 reactores nucleares que funcionan en todo el mundo y que producen el 17% de la electricidad que se consume mundialmente.

Fusión nuclear

La fusión nuclear es la reacción en la que dos núcleos muy ligeros, en general el hidrógeno y sus isótopos, se unen para formar un núcleo más pesado y estable, con gran desprendimiento de energía. La energía producida por el Sol tiene este origen.

Para que se produzca la fusión, es necesario que los núcleos cargados positivamente se aproximen venciendo las fuerzas electrostáticas de repulsión. En la Tierra, donde no se puede alcanzar la gran presión que existe en el interior del Sol, la energía necesaria para que los núcleos que reaccionan venzan las interacciones se puede suministrar en forma de energía térmica o utilizando un acelerador de partículas.

La solución más viable es la fusión térmica. Estas reacciones de fusión térmica, llamadas reacciones termonucleares, se producen en los reactores de fusión y fundamentalmente con los isótopos de hidrógeno.

El aprovechamiento por el hombre de la energía de fusión pasa por la investigación y el desarrollo de sistemas tecnológicos que cumplan dos requisitos fundamentales: calentar y confinar. Calentar para conseguir un gas sobrecalentado (plasma) en donde los electrones salgan de sus órbitas y donde los núcleos puedan ser controlados por un campo magnético; y confinar, para mantener la materia en estado de plasma o gas ionizado, encerrada en la cavidad del reactor el tiempo suficiente para que pueda reaccionar.

La ganancia energética de la fusión consiste en que la energía necesaria para calentar y confinar el plasma sea menor que la energía liberada por las reacciones de fusión.

Este tipo de reacciones son muy atractivas como fuente de energía ya que el deuterio no es radiactivo y se encuentra de forma natural y prácticamente ilimitada en la naturaleza. El tritio no se presenta de forma natural y además es radiactivo. Sin embargo las investigaciones están básicamente centradas en las reacciones deuterio-tritio, debido a que liberan una mayor energía y la temperatura a la que tiene lugar la fusión es considerablemente menor que en las otras.

La tecnología de fusión se está desarrollando en dos líneas principales:

• Fusión por confinamiento magnético: Las partículas eléctricamente cargadas del plasma son atrapadas en un espacio limitado por un campo magnético al describir trayectorias helicoidales determinadas por las líneas de fuerza de dicho campo. El dispositivo más desarrollado tiene forma toroidal y se denomina Tokamak (siendo esta la tecnología utilizada en el proyecto ITER).
• Fusión por confinamiento inercial: Consiste en crear un medio tan denso que las partículas no tengan prácticamente ninguna posibilidad de escapar sin chocar entre sí. Súbitamente impactada por poderosos haces luminosos creados por láser, una pequeña esfera de un compuesto sólido de deuterio y tritio implosiona bajo los efectos de la onda de choque. De esta forma, se hace cientos de veces más densa que en su estado sólido normal y explosiona bajo los efectos de la reacción de fusión.

Actualmente hay reactores de investigación para lograr producir electricidad a través de este proceso. Cabe destacar el Reactor Experimental Termonuclear Internacional ITER en el que participan la Unión Europea, China, Japón, Rusia, India, Corea del Sur y Estados Unidos.

La energía nuclear es aquella que resulta del aprovechamiento de la capacidad que tienen algunos isótopos de ciertos elementos químicos para experimentar reacciones nucleares y emitir energía en la transformación. Una reacción nuclear consiste en la modificación de la composición del núcleo atómico de un elemento, que muta y pasa a ser otro elemento como consecuencia del proceso. Este proceso se da espontáneamente entre algunos elementos y en ocasiones puede provocarse mediante técnicas como el bombardeo neutrónico u otras. Existen dos formas de aprovechar la energía nuclear para convertirla en calor: la fisión nuclear, en la que un núcleo atómico se subdivide en dos o más grupos de partículas, y la fusión nuclear, en la que al menos dos núcleos atómicos se unen para dar lugar a otro diferente.

Fisión nuclear 

En química y física, fisión es un proceso nuclear, lo que significa que tiene lugar en el núcleo del átomo. La fisión ocurre cuando un núcleo se divide en dos o más núcleos pequeños, más algunos subproductos. Estos subproductos incluyen neutrones libres, fotones (generalmente rayos gamma) y otros fragmentos del núcleo como partículas alfa (núcleos de Helio) y beta (electrones y positrones de alta energía).

Fusión nuclear 

En química y física, la fusión nuclear es el proceso mediante el cual dos núcleos atómicos se unen para formar uno de mayor peso atómico.
La fusión nuclear es el proceso que se produce en las estrellas y que hace que brillen. También es uno de los procesos de la bomba de hidrógeno. Al contrario que la fisión nuclear, no se ha logrado utilizar la fusión nuclear como medio rentable (o sea, la energía aplicada al proceso es mayor que la obtenida por la fusión) de obtener energía, aunque hay numerosas investigaciones en esa dirección.

Energía nuclear de fusión 

DESVENTAJAS

• Es todavía una tecnología en fase de investigación para su uso potencial en la generación de electricidad. International Thermonuclear Experimental Reactor. Los Estados Unidos de América abandonaron el proyecto.
• Presenta numerosos problemas que afectan todas las etapas de la vida operativa del reactor.
• El principal problema es alcanzar el estado llamado de "ignición", en el cual el calor producido por el plasma en la cámara mantiene la reacción de fusión, sin necesidad de aporte de energía exterior adicional
  
  VENTAJAS
   
• Se puede sintetizar  una mayor producción de energía por toneladas de combustible respecto al carbón o al gas natural y en una reacción sin emisiones una vez alcanza la estabilidad, la fusión nuclear, siempre y cuando éste llegue a construirse y operar en condiciones comerciales algún día.
•  según el proyecto original, el tiempo estimado entre el inicio de la construcción y la puesta en marcha es de 96 meses- es preciso transportar los combustibles de un modo regular, en itinerarios de entrada y salida de las instalaciones.
• No obstante, para que la reacción no se detenga, periódicamente deberá añadirse combustible al sistema. La energía requerida para iniciar la reacción no es nada insignificante, y equivale a la producida por una central térmica de 500 MW más otros 100 MW para refrigerar los super-magnetos.

Energía nuclear de Fisión

Ventajas

• Como combustible para la fisión nuclear se usan barras de uranio.
• Se pueden obtener grandes cantidades de energía con una pequeña cantidad de uranio, es decir, la energía nuclear es barata.
• No produce humo ni dióxido de carbono, ni favorece el efecto invernadero; en consecuencia, resulta útil como sustituto de los combustibles fósiles.

DESVENTAJAS

• La energía nuclear no es renovable. A fin de cuentas, los recursos de uranio son finitos, y cuando se terminen las reservas no se podrá usar más este tipo de energía. Pero, de momento, estas reservas son grandes.
• Las centrales nucleares actuales son muy fiables, pero se deben destinar importantes cantidades de dinero para garantizar su seguridad. Y si, por cualquier motivo, sucediese algo, el accidente nuclear sería un desastre inconmensurable.
• El principal problema de las centrales nucleares lo constituyen los residuos radiactivos. No generan gran cantidad de basura o residuos. Hay desarrolladas técnicas que permiten recuperar más energía del uranio utilizado, con lo que cada vez se genera menos basura nuclear. Pero ese poquito que generan es extraordinariamente peligroso dado que para que se reduzca la radiactividad que emite la basura radiactiva hacen falta años y más años, aun no saben qué hacer con ella. En los últimos años se ha reactivado el debate sobre la energía nuclear. De hecho, comparado con el impulso que recibió durante la década de los 70, hoy en día es la fuente de energía que menos crece. Pero siendo como es la energía que puede sustituir a los combustibles fósiles de manera masiva y barata, se oyen cada vez más fuertes, procedentes de los más diversos ámbitos, las voces que claman por impulsar nuevamente la energía nuclear.

Relatividad, Predecibilidad y Caos

Relatividad, Predecibilidad y Caos

Teoría de la relatividad

La teoría de la relatividad está compuesta a grandes rasgos por dos grandes teorías (la de la relatividad especial y la de la relatividad general) formuladas por Albert Einstein a principios del siglo XX, que pretendían resolver la incompatibilidad existente entre la mecánica y el electromagnetismo.

La primera teoría, publicada en 1905, trata de la física del movimiento de los cuerpos en ausencia de fuerzas gravitatorias, en el que se hacían compatibles las ecuaciones de Maxwell del electromagnetismo con una reformulación de las leyes del movimiento. La segunda, de 1915, es una teoría de la gravedad que reemplaza a la gravedad newtoniana pero coincide numéricamente con ella en campos gravitatorios débiles. La teoría general se reduce a la teoría especial en ausencia de campos gravitatorios.

 

Relatividad especial (relatividad restringida)

 

Publicada por Albert Einstein en 1905, describe la física del movimiento en el marco de un espacio-tiempo plano, describe correctamente el movimiento de los cuerpos incluso a grandes velocidades y sus interacciones electromagnéticas y se usa básicamente para estudiar sistemas de referencia inerciales.

Relatividad General

 

Publicada por Albert Einstein en 1915 y 1916.

La relatividad general para aplicar plenamente el programa de Ernst Mach de la relativización de todos los efectos de inercia, incluso añadiendo la llamada constante cosmológica a sus ecuaciones de campo para este propósito.

Predecibilidad

Predicción tiene por etimología el latín pre+dicere, esto es, “decir antes”. No se trata sólo de “decir antes”, sino de “decirlo bien”, o sea, acertar; también, hacerlo con un plazo suficiente para poder tomar las medidas que se crean oportunas, y además tener una idea de hasta cuándo es posible predecir el futuro con cierto éxito.

Cuando se efectúa una predicción, se está estimando un valor futuro de alguna variable que se considere representativa de una cierta situación.

También se pueden hacer predicciones espaciales, como la ubicación, movilidad e intensidad local de fenómenos extremos, caso por ejemplo de los huracanes y tormentas tropicales

Normalmente ambos tipos de predicción están ligados y se realizan a la vez, como lo prueban los productos que ofrecen las s grandes agencias e institutos de Meteorología y Climatología.

Pueden construirse de modos muy diversos, de algunos de los cuales nos ocuparemos en este trabajo, y su bondad se mide -como es natural- por el porcentaje de aciertos en situaciones del pasado predichas con igual técnica. Las bases de registros disponibles hoy día permiten realizar experimentos de predecibilidad con datos pasados y simular situaciones ya conocidas mediante diversas técnicas, estudiando y comparando los resultados.

CAOS

Teoría del caos es la denominación popular de la rama de las matemáticas, la física y otras ciencias que trata ciertos tipos de sistemas dinámicos muy sensibles a las variaciones en las condiciones iniciales. Pequeñas variaciones en dichas condiciones iniciales pueden implicar grandes diferencias en el comportamiento futuro; complicando la predicción a largo plazo. Esto sucede aunque estos sistemas son en rigor determinismos  es decir; su comportamiento puede ser completamente determinado conociendo sus condiciones iniciales.

Los sistemas dinámicos se pueden clasificar básicamente en:

Estables, Inestables, Caóticos.

Un sistema estable tiende a lo largo del tiempo a un punto, u órbita, según su dimensión (a tractor o sumidero). Un sistema inestable se escapa de los atractores. Y un sistema caótico manifiesta los dos comportamientos. Por un lado, existe un a tractor por el que el sistema se ve atraído, pero a la vez, hay "fuerzas" que lo alejan de éste. De esa manera, el sistema permanece confinado en una zona de su espacio de estados, pero sin tender a un a tractor fijo.

 

A tractores extraños

 

La mayoría de los tipos de movimientos mencionados en la teoría anterior suceden alrededor de a tractores muy simples, tales como puntos y curvas circulares llamadas ciclos límite. En cambio, el movimiento caótico está ligado a lo que se conoce como a tractores extraños, que pueden llegar a tener una enorme complejidad como, por ejemplo, el modelo tridimensional del sistema climático de Lorenz, que lleva al famoso a tractor de Lorenz conocidos, no sólo porque fue uno de los primeros, sino también porque es uno de los más complejos y peculiares, pues desenvuelve una forma muy peculiar más bien parecida a las alas de una mariposa.

 

 EFECTO MARIPOSA La idea de la que parte la Teoría del Caos es simple: en determinados sistemas naturales, pequeños cambios en las condiciones iniciales conducen a enormes discrepancias en los resultados. Este principio suele llamarse efecto mariposa debido a que, en meteorología, la naturaleza no lineal de la atmósfera ha hecho afirmar que es posible que el aleteo de una mariposa en determinado lugar y momento, pueda ser la causa de un terrible huracán varios meses más tarde en la otra punta del globo.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Su Teoría de la Relatividad Especial y su Teoría de la Relatividad General. La idea esencial de ambas teorías, es que dos observadores que se mueven relativamente uno al lado de otro con una gran velocidad, del orden de la luz, a menudo obtendrán diferentes medidas del tiempo (intervalos de tiempo) y el espacio (distancias) para describir las mismas series de eventos. Es decir, la percepción del espacio y el tiempo depende del estado de movimiento del observador o es relativa al observador.

Sin embargo, a pesar de esta relatividad del espacio y el tiempo existe una forma más sutil de in variancia física, ya que el contenido de las leyes físicas será el mismo para ambos observadores. Esto último significa, que a pesar de que los observadores difieran en el resultado de medidas concretas de magnitudes espaciales y temporales, encontrarán que las ecuaciones que relacionan las magnitudes físicas tienen la misma forma con independencia de su estado de movimiento. Este último hecho se conoce como principio de covariancia.

Supongamos que un tren pasa a nuestro lado a 20 kilómetros por hora y que un niño tira desde el tren una pelota a 20 kilómetros por hora en la dirección del movimiento del tren. Para el niño, que se mueve junto con el tren, la pelota se mueve a 20 kilómetros por hora. Pero para nosotros, el movimiento del tren y el de la pelota se suman, de modo que la pelota se moverá a la velocidad de 40 kilómetros por hora. La teoría de la relatividad de Einstein nació del siguiente hecho: lo que funciona para pelotas tiradas desde un tren no funciona para la luz. En principio podría hacerse que la luz se propagara, o bien a favor del movimiento terrestre, o bien en contra de él.

En el primer caso parecería viajar más rápido que en el segundo (de la misma manera que un avión viaja más aprisa, en relación con el suelo, cuando lleva viento de cola que cuando lo lleva de cara). Sin embargo, medidas muy cuidadosas demostraron que la velocidad de la luz nunca variaba, fuese cual fuese la naturaleza del movimiento de la fuente que emitía la luz. Einstein dijo entonces: supongamos que cuando se mide la velocidad de la luz en el vacío, siempre resulta el mismo valor (unos 299.793 kilómetros por segundo), en cualesquiera circunstancias.

Teoría de la relatividad especial

La Teoría de la Relatividad Especial, también llamada Teoría de la Relatividad Restringida, publicada por Einstein en 1905, el artículo que formulaba esta teoría tenía por título En torno a la Electrodinámica de los cuerpos en movimiento. Esta teoría describe la física del movimiento en el marco de un espacio-tiempo plano y se usa básicamente para estudiar sistemas de referencia inerciales. Estos conceptos fueron presentados anteriormente por Poincaré y Lorentz, que son considerados también como originadores de la teoría.

Postulados de la teoría de la relatividad especial

- Primer postulado - Principio especial de relatividad - Las leyes de la física son las mismas en todos los sistemas de referencia inerciales. En otras palabras, no existe un sistema inercial de referencia privilegiado, que se pueda considerar como absoluto.

- Segundo postulado - Invariancia de c - La velocidad de la luz en el vacío es una constante universal, c, que es independiente del movimiento de la fuente de luz.
El poder del argumento de Einstein está en la manera como deriva en resultados sorprendentes y plausibles a partir de dos simples hipótesis y como estas predicciones fueron confirmadas por las observaciones experimentales.

Se refiere al hecho de que no se puede decir con sentido absoluto que dos acontecimientos en diferente lugar puedan haberse realizado al mismo tiempo. Si dos observadores, en el mismo lugar (espacio), presencian un fenómeno, podrían decir simultáneamente que se realizó en el mismo tiempo. Los dos indicarían el mismo tiempo del acontecimiento. Pero si los dos presencian ese acontecimiento en lugares diferentes, espacios diferentes, al mismo tiempo, ninguno de ellos podría afirmar que se realizó simultáneamente. Matemáticamente, esto puede comprobarse en la primera ecuación de la transformación de Lorentz.

El concepto de masa en la teoría de la relatividad especial tiene dos bifurcaciones: la masa invariante y la masa relativista aparente. La masa relativista aparente es la masa aparente que va a depender del observador y se puede incrementar dependiendo de su velocidad, mientras que la invariante es independiente del observador e invariante.

Matemáticamente tenemos que: donde es la masa relativista aparente, es la invariante y es el factor de Lorentz. Notemos que si la velocidad relativa del factor de Lorentz es muy baja, la masa relativa tiene el mismo valor que la masa invariante pero si ésta es comparable con la velocidad de la luz existe una variación entre ambas. Conforme la velocidad se vaya aproximando a la velocidad de la luz, la masa relativista tenderá a infinito

Teoría de la relatividad general

La relatividad general fue publicada por Einstein en 1915, y fue presentada como conferencia en la Academia de Ciencias prusiana el 25 de noviembre. La teoría generaliza el principio de relatividad de Einstein para un observador arbitrario. Esto implica que las ecuaciones de la teoría deben tener una forma de covariancia más general que la covariancia de Lorentz usada en la teoría de la relatividad especial. Además de esto, la teoría de la relatividad general propone que la propia geometría del espacio-tiempo se ve afectada por la presencia de materia, de lo cual resulta una teoría relativista del campo gravitatorio. De hecho la teoría de la relatividad general predice que el espacio-tiempo no será plano en presencia de materia y que la curvatura del espacio-tiempo será percibida como un campo gravitatorio.

Las características esenciales de la teoría de la Relatividad General son las siguientes:

- El principio general de covariancia: las leyes de la física deben tomar la misma forma matemática en todos los sistemas de coordenadas.

- El movimiento libre inercial de una partícula en un campo gravitatorio se realiza a través de trayectorias geodésicas.

- El principio de equivalencia o de invariancia local de Lorentz: las leyes de la relatividad especial (espacio plano de Minkowski) se aplican localmente para todos los observadores inerciales.
El principio de covariancia es la generalización de la teoría de la Relatividad Especial, donde se busca que las leyes para la naturaleza tengan la misma forma en todos los sistemas de referencia.

Esto último equivale a que todos los sistemas de referencia sean indistinguibles. En otras palabras, que cualquiera que sea el movimiento de los observadores, las ecuaciones tendrán la misma forma matemática y contendrán los mismos términos. Ésta fue la principal motivación de Einstein para que estudiara y postulara la Relatividad General.

El principio de covariancia sugería que las leyes debían escribirse en términos de tensores, cuyas leyes de transformación covariantes y contravariantes podían proporcionar la "invariancia" de forma buscada, satisfaciéndose el principio de covariancia.