De dónde saca el Sol su energía
fisión y fusión
Bloque Carbono y energía · Energía: origen y usos
El Sol no se está quemando
Decimos «el Sol arde» como si fuera una fogata gigante. No lo es, y la cuenta lo demuestra.
Si el Sol estuviera hecho del mejor combustible químico imaginable y lo quemara a la velocidad a la que entrega energía, se apagaría en unos pocos miles de años. Pero tenemos rocas en la Tierra de 4000 millones de años formadas bajo la luz del Sol.
Pista: ese razonamiento es una herramienta, no una curiosidad. Cuando una explicación predice una duración mil veces más chica que la que observás, la explicación está mal. No hace falta saber la respuesta correcta para descartar la incorrecta.
Una reacción química reacomoda electrones y deja los núcleos intactos. Lo que pasa en el Sol es otra cosa: cambian los núcleos.
¿Por qué no puede ser que el Sol funcione quemando un combustible químico?
Fusión: unir núcleos livianos
En el centro del Sol hay unos 15 millones de grados y una presión aplastante. En esas condiciones los núcleos de hidrógeno se mueven tan rápido que, al chocar, llegan a pegarse en vez de rebotar. Cuatro núcleos de hidrógeno terminan formando uno de helio.
4 1H → 4He + energía
Y acá está lo raro: el núcleo de helio que queda pesa menos que los cuatro de hidrógeno que entraron. Falta masa. Esa masa faltante no desapareció: se convirtió en energía, y cuánta lo dice la relación de Einstein.
E = m · c2
Como c es la velocidad de la luz, 300 000 km/s, al elevarla al cuadrado el número que multiplica a la masa es enorme. Por eso una pizca de masa da muchísima energía: el Sol convierte en energía alrededor de cuatro millones de toneladas de masa por segundo y aun así le quedan unos 5000 millones de años de combustible.
¿Qué pasa en una reacción de fusión?
El núcleo de helio que se forma pesa menos que los cuatro de hidrógeno que entraron. ¿Qué pasó con esa masa?
Fisión: partir núcleos pesados
La fisión es el camino contrario. Un núcleo muy pesado, como el del uranio-235, recibe un neutrón, se vuelve inestable y se parte en dos núcleos más chicos, liberando energía y dos o tres neutrones nuevos.
Esos neutrones pueden partir otros núcleos de uranio, que liberan más neutrones, que parten más núcleos. Eso es la reacción en cadena.
Cada núcleo que se parte libera neutrones capaces de partir varios más. En un reactor, unas barras de control absorben el exceso para que el ritmo quede constante.
Una central nuclear es, en el fondo, una caldera cara: la fisión calienta agua, el vapor mueve una turbina y la turbina mueve un generador. Lo único distinto es de dónde sale el calor. En la Argentina funcionan tres: Atucha I, Atucha II y Embalse.
Fisión: partir núcleos pesados
si la fusión libera más energía por kilo que la fisión, no deja residuos de larga vida y su combustible abunda en el agua de mar, ¿por qué todas las centrales nucleares del mundo funcionan con fisión?
¿Qué es una reacción en cadena?
Las dos, comparadas
Fisión y fusión: mismo tipo de cambio —el núcleo— y sentidos opuestos.
| Aspecto | Fisión | Fusión |
|---|---|---|
| Qué le pasa al núcleo | Uno pesado se parte en dos. | Dos livianos se unen en uno. |
| Combustible | Uranio-235, plutonio: escasos y hay que enriquecerlos. | Isótopos de hidrógeno: hay en el agua de mar. |
| Condiciones | Se logra a temperatura ambiente, con un neutrón. | Hacen falta millones de grados. |
| Residuos | Radiactivos, algunos por miles de años. | Mucho menos problemáticos y de vida más corta. |
| Dónde funciona hoy | Centrales nucleares, incluidas tres en la Argentina. | En el Sol y las estrellas. En la Tierra, todavía experimental. |
Lo que las dos tienen en común es la razón por la que entregan tanta energía: en ambas, parte de la masa de los núcleos desaparece y reaparece como energía. Es la misma cuenta de Einstein en los dos casos.
¿Por qué todavía no hay centrales de fusión funcionando?
Casi todo viene del Sol, pero no todo
Con esto podemos cerrar el mapa completo de dónde sale la energía que usamos. Casi todas las fuentes se remontan a la fusión en el Sol, pero hay tres que no.
Cuáles
Solar, por supuesto. Eólica: el viento existe porque el Sol calienta el aire de manera despareja. Hidráulica: el Sol evapora el agua que después llueve en la montaña. Biomasa: la fotosíntesis. Y los combustibles fósiles, que son biomasa de hace cientos de millones de años.
Cuáles
Nuclear: la energía estaba guardada en núcleos pesados formados en estrellas que explotaron antes de que existiera el Sol. Geotérmica: calor que quedó de la formación del planeta más el que producen elementos radiactivos en el interior. Mareomotriz: la rotación de la Tierra, como vimos la clase pasada.
Esta clasificación es la que vamos a usar en las próximas tres clases, cuando sigamos la cadena desde la fuente hasta el enchufe y comparemos las centrales entre sí.
¿Cuál de estas fuentes NO se remonta, en última instancia, a la fusión en el Sol?
¿En qué se parece una central nuclear a una central térmica a carbón?
¿De dónde viene la energía que libera una central nuclear de fisión?
Animación de la clase
Fuentes de la animación: NASA, Sun Fact Sheet (temperatura del núcleo, masa convertida por segundo, edad del Sol). OpenStax, College Physics 2e, cap. 32 (neutrones liberados por fisión del uranio-235). IAEA, Power Reactor Information System (centrales argentinas). Esquema, no está a escala real. El color identifica al tipo de partícula; no es una propiedad real.
Fisión y fusión
Casi todo viene del Sol
De dónde saca el Sol su energía
Las actividades escritas, las láminas y la autoevaluación están en la página de la clase.
Resumen
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