Archivo de la categoría: Física Nuclear

La obtención de energía por parte de las estrellas

Como hemos comentado en numerosas entradas, las estrellas obtienen energía mediante procesos de fusión nuclear. Vamos a detallar en esta entrada, los distintos tipos de reacciones que ocurren en distintos tipos de estrella, y los explicaremos de forma simple. Los distintos procesos de fusión nuclear llevados a cabo por las estrellas reciben el nombre de nucleosíntesis estelar, o “formación de núcleos”, ya que las estrellas crean elementos nuevos, cada vez más pesados al fusionar.

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En la parte superior la supergigante azul Rigel, en la constelación de orión. En la parte inferior la nebulosa cabeza de bruja (Witchhead nebula).

La fusión del hidrógeno es la forma más elemental y más eficiente de producir energía. En dicho proceso, se combinan cuatro núcleos de hidrógeno para crear un núcleo de helio. La energía producida en dicha reacción es fácilmente calculable por la equivalencia masa energía formulada por A. Einstein. Dicha energía es de aproximadamente 26,7 MeV (Mega Electron-voltios).

Un pequeño inciso en física nuclear, para entender como ocurre esto. Supongamos este mismo caso real, en el que cuatro núcleos de hidrógeno son fusionados para formar uno de helio. Sabiendo la masa de cada núcleo de hidrógeno (masa de un protón), la masa del núcleo de helio debería ser cuatro veces la del hidrógeno. Esto en la práctica no es así, la masa del núcleo de helio es menor que la de cuatro protones libres. Lo que sucede es que, parte de la masa de los protones es transformada a energía, en forma de enlace nuclear fuerte (la fuerza que mantiene unido el núcleo de helio). Entonces decimos que hay un defecto de masa, y este defecto de masa es la energía que se obtiene al fusionarse los núcleos.

Pero los núcleos de hidrógeno no son los únicos que se pueden fusionar. La fusión libera energía hasta el Fe-56, lo que se llama en astrofísica el pico del hierro. Entendemos pues la fusión como el proceso contrario a la fisión (unión y separación). Los núcleos con más nucleones, esto es protones y neutrones, son más fisibles que los que contienen menos. Por contrapunto los núcleos con menos cantidad de protones y neutrones (más pequeños) son más aptos para la fisión. Llegamos hasta el hierro, donde la fusión del mismo ya no nos da energía. Llegados a este punto una estrella no puede obtener más energía de la fusión.

Para hacernos una idea, la máxima energía que se obtiene de fusionar el hierro es de 8,4MeV. Esta energía es mucho menor que la de casi 27MeV, además que los núcleos de hierro son mucho más masivos, lo que quiere decir que habrá menos para una cantidad fija de masa. Esto es lógico ya que el Fe-56 tiene 56 nucleones y el núcleo de H solamente uno. No es raro pues que en el universo haya relativa abundancia de Fe-56 por encima de otros isótopos, con diferencia.

Volviendo a la fusión del hidrógeno (hydrogen burning, en inglés). La serie de reacciones más común es la llamada reacción protón-protón, o cadena p-p. Esta reacción es la más frecuente en estrellas de la secuencia principal tales como nuestro Sol. El proceso es relativamente elaborado pero el global resulta en la reacción ya mencionada, unir cuatro núcleos de hidrógeno en uno de helio. La misma cadena tiene distintas ramas, siendo las más destacables la I, la II y la III (cada una obteniendo menor energía que la anterior). La rama I es la principal, tomando más relevancia la II y la III cuanto mayor es la temperatura de la estrella.

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La cadena p-p con sus tres ramas, siendo la I la más abundante seguido de la II.

 

Otra forma de obtener energía mediante la fusión es el llamado ciclo CNO. Se refiere a carbono, nitrógeno y oxígeno. Este ciclo es usado para el mismo fin que la cadena p-p, obtener energía fusionando hidrógeno y obteniendo helio. Estos tres elementos (C, N y O) son meros catalizadores, su cantidad es fija y solamente propician la reacción sin ser alterados de ninguna forma.

 

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El ciclo CNO

Ahora que conocemos los principales procesos de fusión del hidrógeno, vamos a pasar al siguiente paso lógico: ¿Qué pasa cuando la estrella ha fusionado todo su hidrógeno? Esto es harto complicado, pero ciertamente cuando el helio empieza a ser abundante y el hidrógeno a agotarse, otro proceso se lleva a cabo. Este proceso se llama triple-alfa, ya que involucra a tres núcleos de helio (partículas alfa) para crear C-12. Esta es la siguiente etapa en la evolución de una estrella de la secuencia principal. Para que ocurra este proceso, es necesaria una gran temperatura. Vamos a entender exactamente qué pasa.

 

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El proceso triple-alfa

 

La estrella ha fusionado prácticamente todo el hidrógeno en helio y ya no puede mantener el ritmo de fusión ya que se está agotando el hidrógeno. Grandes cantidades de helio se acumulan en el núcleo (ya que el helio es más pesado que el hidrógeno). Al no poder la estrella obtener tanta energía, pierde el equilibrio hidrostático y su núcleo se colapsa ligeramente y se contrae. Esta presión aumenta la temperatura del núcleo y permite que se llegue a temperaturas de hasta cien millones de grados, y se lleve a cabo el proceso triple-alfa. En parte es necesaria dicha temperatura ya que uno de los primeros pasos, es ligeramente endotérmico.

 

La quema del carbono y elementos posteriores son menos frecuentes y liberan, como hemos dicho, una energía mucho menor. Debido a su menor relevancia, no entraremos en detalles en esta entrada. Comentar que dichos núcleos son del neón, del oxígeno y finalmente del silicio. Cada proceso al tener la estrella menos cantidad de los núcleos disponibles, y estos al proporcionar menos energía, duran menos. El caso más curioso es el del silicio, que permite a la estrella sobrevivir tan solo un último día más antes de colapsar y morir. Se puede apreciar en la siguiente ilustración, junto a lo anteriormente explicado:

 

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Reactores de fusión nuclear

Recientemente se ha puesto en marcha un reactor de fusión en el Instituto Max Planck de física del plasma (Alemania), el Wendelstein 7-X. Aprovecharemos la noticia para hablar un poco sobre dos tipos de reactores de fusión nuclear que son bastante usados en la actualidad. El más popular quizá es el reactor de origen ruso Tokamak. Tiene una geometría de forma toroidal (de donut, para que nos entendamos) y usa confinamiento magnético. Esto significa que el plasma resultante de la fusión nuclear está levitando en su interior, confinamiento magnético. Este mismo sistema se usa en el reactor stellarator (o reactor estelar).

Vamos a entrar un poco en las bases físicas que sostienen todo esto. El plasma es un estado de agregación de la materia por el cual, los electrones de la misma se mueven con libertad por dicho plasma (podríamos definirlo como una especie de fluido). Esto le confiere carga al plasma, por lo que se puede aplicar fuerzas de Lorentz. Dicha fuerza es la recibida por una partícula cargada (el plasma) en el seno de un campo electromagnético. Entonces, si creamos un campo electromagnético uniforme en todas direcciones deberíamos poder contener el plasma en la zona central de una estructura en forma de tubo. El problema de esto es que, el plasma recibiría una fuerza que haría que se saliera de dicho tubo. La solución es sencilla, unir el tubo con si mismo, creando así una estructura de forma toroidal.

Interior del Wendelstein 7-X

Como crear el campo electromagnético es sencillo, se añaden unas bobinas alrededor de la estructura ya descrita. El problema reside en que, en la zona exterior del toro, el campo magnético será menos intenso ya que la superficie en dicha zona es mayor que en la de la parte interior. Esto provoca fluctuaciones que resultan en pérdida de confinamiento de parte del plasma. Debemos entender que dicho confinamiento es necesario, ya que durante la fusión se adquieren temperaturas muy elevadas. El Wendelstein 7-X ha alcanzado temperaturas de un millón de grados Celsius, y se prevé que pueda alcanzar los 100, mayores que las del interior de nuestro Sol. Este plasma en contacto con cualquier material, lo derretiría inmediatamente, perdiéndose así el confinamiento y escapándose el plasma, una catástrofe. Es por esto que es esencial que el plasma levite, y haya el vacío a su alrededor. Recordemos que esencialmente hay tres tipos de transferencia de calor, dicho de forma rápida e imprecisa estarían los de “contacto directo” y de “fluctuación” de un gas o líquido (conducción y convección) y finalmente está el que nos interesa, el de radiación (la “luz” que emite la materia). Al estar en el vacío, no hay aire que pueda calentarse y transferir el calor del plasma a la estructura, y al estar levitando no toca las paredes de la misma. Así que solo hay pérdida por radiación.

Ahora entendemos la importancia del confinamiento electromagnético del plasma. El tokamak soluciona el problema antes descrito, induciendo una corriente en el propio plasma que lo compensa. Las dificultades residen en que este propio flujo de electrones desestabiliza el plasma en si. La solución del stellarator es añadir electroimanes en la zona donde sea requerido, además que las bobinas del mismo son helicoidales y no circulares.

El Wendelstein 7-X en construcción.

El tokamak es especialmente famoso ya que del dicho tipo es el nuevo reactor de fusión ITER que está actualmente en construcción en Francia, y en el proyecto han participado numerosos países tales como EEUU, Japón, la Unión Europea, Rusia, China, la India… Estará en funcionamiento sobre el 2020, y nos ayudará a entender más a fondo la fusión nuclear, y su viabilidad como fuente de energía limpia. Tengamos en cuenta que, no se ha conseguido estabilizar la reacción de fusión para que se obtenga más energía de la que se aporta para “encender” el reactor. Entonces, la fusión nuclear existe y podemos producirla, pero a cambio de pérdida de energía (hecho poco deseable). Un gran punto a favor de este fuente de energía es que, si bien el deuterio es reactivo, los productos de la reacción no lo son (helio, gas inerte y ya existente en relativa abundancia en nuestro planeta), por lo que es una energía limpia.

El complejo del ITER en construcción.

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Introducción sobre las estrellas 2

En esta entrada, que es la continuación de esta otra entrada (pinchar para ver), hablaremos sobre los procesos que se desarrollan en el interior de las estrellas y permiten que estas sean como son.

Lo más básico a saber es lo que ya explicamos. En el interior de las estrellas se produce una reacción nuclear (se desarrolla en el núcleo de los átomos) que libera energía. Estas reacciones permiten que la estrella se expanda (puede visualizarse como una explosión continua) y así contrarresta su propio peso que es lo que la mantiene unida.

Normalmente las estrellas empiezan su vida con unas tres cuartas partes de hidrógeno y una cuarta parte de helio. Existen otros elementos en menor cantidad, por ejemplo los denominados “metales” que son elementos más pesados que el hierro, en función del tipo de estrella. Con esa proporción de Hidrógeno-Helio, y unas temperaturas del orden de varios millones de grados, la estrella se mantiene.

Lo que sucede es la llamada cadena protón-protón (o p-p), que no es nada más que ciertas reacciones de fusión transformándose el hidrógeno en helio, en su mayoría. Existen, dentro la cadena p-p, otras reacciones que incluyen elementos tales como el Helio, el Berilio o el Litio, pero más del 90% de la energía de la estrella se obtiene por las reacciones de fusión del Hidrógeno, llamada cadena p-p1.

Cuando una estrella es más masiva, puede usar una reacción secundaria (que supone menos del 10% de la energía global, nuevamente) que se llama ciclo CNO e involucra, como su nombre indica, el Carbono, el Nitrógeno y el Oxígeno.

La estrella va evolucionando a medida que va transformando el Hidrógeno en Helio, teniendo en cuenta que no hay ningún proceso que invierta esto (sería termodinámicamente imposible, sin un aporte de energía extra) la proporción de Helio crece. Cuando hay suficiente Helio, puede producirse un tercer proceso, llamado proceso triple alfa. Debe su nombre a que involucra a tres partículas alfa, que son núcleos de Helio. Se requiere temperaturas del orden de cien millones de grados kelvin para que se lleve a cabo tal proceso.

La estrella acaba finalmente fusionando otros elementos a medida que ya ha fusionado los más ligeros, hasta que llega al llamado pico del Hierro, donde la fusión de los núcleos de Hierro ya no aportan energía y el proceso no ocurre. Por otros medios puede la estrella, ya moribunda, puede obtener algo de energía de procesos extra. Uno de esos procesos es la fotodesintegración, por el cual un fotón es absorbido por un núcleo y este emite partículas para volver a ser estable. Con la fotodesintegración del Silicio, la estrella ganará aproximadamente un día de vida extra.

La estrella acumula los elementos de forma que los más pesados se encuentran en el núcleo, y los más ligeros en el exterior, ya que la densidad de los primeros es mayor.

Las capas de una estrella vieja.

En próximas entradas hablaremos en detalle sobre la muerte de las estrellas, y sus posibles desenlaces una vez se han consumido.

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Fisión nuclear

Quizá es el proceso nuclear más famoso hoy día, aunque su homólogo opuesto está tomando protagonismo.

La fisión es, la ruptura del núcleo de un átomo, en fragmentos menores. Este proceso nos da energía, procedente de la fuerza nuclear fuerte (una de las fuerzas fundamentales del universo que traté por encima en la entrada sobre física de partículas).

Entendido esto, lo que seguramente no se conozca tanto es más o menos como ocurre el proceso. Antes que nada, el material debe ser fisible (apto para la fisión). Uno muy usado es el uranio, concretamente el uranio 235 es el más apto para la fisión. Pero, es poco abundante siendo en más de un 99% en la naturaleza, uranio 238. Entonces el uranio debe pasar por un proceso de refinado. Normalmente con un 10% o menos es más que suficiente para la fisión en reactores para la obtención de energía. Como curiosidad, se requiere un 90% si no más, de uranio 235 para armas nucleares.

Para una reacción de fisión necesitamos bombardear los núcleos del uranio con neutrones, a una cierta velocidad. Estos son los llamados, neutrones térmicos, que son neutrones a una velocidad igual a la del ambiente (hablando coloquialmente). Para que los neutrones sean térmicos, se usa un moderador que rodea al uranio. Un moderador muy usado es el agua pesada (que es agua, pero en vez de hidrógeno se usa deuterio, isotopo del mismo que tiene un neutrón).

Se controla la reacción para que lleve un ritmo adecuado para calentar agua que posteriormente se evapora y el vapor mueve unas turbinas que a su vez hacen funcionar un generador (método rudimentario pero el mejor que se sigue teniendo hoy día, a excepción de el efecto fotoeléctrico). Todos tenemos en mente la imagen de los reactores, sacando un humo blanco que ya sabemos que es inofensivo vapor de agua. Normalmente las centrales nucleares se sitúan cerca de ríos, ya que se usa el agua de estos para refrigeración. No el agua directamente, pero se usan unos radiadores que dan al agua fría del río, para que enfríe el agua que circula por dentro.

Central nuclear

Hay otros modelos de reactores nucleares con distintos esquemas, pero la fisión se reduce a lo mismo que, resumiendo: núcleos pesados como el uranio, se bombardean con neutrones a una determinada velocidad (térmicos) y se dividen dichos átomos liberando energía en forma de aumento de la temperatura.

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Pequeña introducción a la física de partículas

Al ser la física de partículas quizá una de las ramas más llamativas (el LHC del CERN en Ginebra, es un buen ejemplo, ya que es bastante conocido), me he decantado por hacer una pequeña introducción sobre las partículas fundamentales, qué son y cuales hay.

Para empezar, las partículas fundamentales son, partículas que hasta la fecha son las más básicas que hay (no están formadas por partículas aún menores). Se dividirían en fermiones y bariones.

 

Los fermiones (en morado, quarks y en verde, leptones) y los bosones (en rojo).

 

Vamos por los fermiones, o partículas de materia, deben su nombre al físico Enrico Fermi. Forman los nucleones (protones y neutrones). ¿Y el electrón? El electrón es en si mismo un fermión, no está formado por partículas menores. Dentro de los fermiones encontramos a los quark, de los cuales hay séis tipos: up (arriba), down (abajo), encantado (charm), extraño (strange), cima (top) y fondo (bottom). Por otro lado tenemos a los leptones, entre los cuales se encuentra el ya mencionado electrón, entonces tenemos: electrón, muón y tauón (o simplemente mu y tau). Hay unos neutrinos, aún dentro de los leptones, que están asociados a cada leptón anteriormente citado: neutrino electrónico, neutrino muónico y neutrino tauónico.

Una asociación de quarks, forman los llamados hadrones. Estos a su vez se dividen en dos grupos, bariones y mesones. Los bariones (o partículas pesadas) están formadas por tres quarks. Tanto el neutrón como el protón son bariones, por lo que poseen tres quarks cada uno. Los mesones están formados por un quark y un antiquark (un antiquark es un quark con la misma vida media, masa y espín, pero con carga opuesta).

Pasando a los bosones, son partículas portadoras de fuerza. El concepto es bastante más abstracto que para los fermiones, comentar como curiosidad que los bosones tienen el espín entero, mientras que los fermiones lo tienen semientero (no definiré el concepto de espín pues me llevaría seguramente toda una entrada entera). Existen las partículas portadoras de la fuerza/interacción electromagnética, los fotones. Los bosones W y Z para la interacción nuclear débil (unión entre quarks), los gluones para la nuclear fuerte (unión entre nucleones, la usada en física nuclear) y el gravitón que es la hipotética partícula portadora de la interacción gravitatoria (no ha sido confirmada, pero puesto que dicha interacción existe parece razonable suponer que esta partícula exista también).

Como curiosidad, el bosón de Higgs que fue descubierto recientemente también es un bosón simple, y sería el encargado de proporcionar masa a las demás partículas. Así pues, se usa la terminología “campo” asociado a un bosón, y si una partícula interacciona con un determinado campo, significa que adquiere sus “propiedades”. Por ejemplo, un quark interacciona con un campo de Higgs, ya que tiene masa.

Espero que haya sido claro y comprensible, este pequeño inciso en física de partículas. No he abordado temas como el color o el sabor de los quarks, y muchos ejemplos son simples aproximaciones para entender un poco de qué trata el tema, y así debe ser pues el propósito de esta entrada era hacer comprender estos conceptos de forma amena sin usar terminología excesiva.

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