Clase 20 · Energía: origen y usos Sin empezar
Idea central. En el Sol se unen núcleos y en un reactor se parten, y en los dos casos la energía sale de una masa que desaparece.
Esta clase contesta la pregunta que quedó abierta: si casi toda la energía del planeta viene del Sol, ¿de dónde la saca el Sol?
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.
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.
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.
Como $c$ es la velocidad de la luz, $300\,000\ \mathrm{km/s}$, 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.
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.
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.
Pensá antes de abrir: 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?
Porque para fusionar núcleos hay que vencer la repulsión entre dos cargas positivas, y eso exige temperaturas de millones de grados. El Sol las consigue con su propia gravedad, que comprime el centro con el peso de toda la estrella. En la Tierra no hay nada parecido: hay que fabricar esas condiciones y mantener confinado un gas más caliente que el núcleo solar sin que toque ninguna pared.
Se viene intentando desde los años cincuenta. El proyecto internacional ITER, en construcción en Francia, busca justamente demostrar que se puede obtener más energía de la que se gasta en sostener la reacción. Todavía no hay ninguna central de fusión conectada a una red eléctrica.
| 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.
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.
La animación arranca con el Sol dibujado como un círculo y dos barras al costado que comparan duraciones: una muy corta, rotulada «si fuera una fogata: unos pocos miles de años», y otra mucho más larga, «lo que lleva brillando: 4600 millones de años». El rótulo concluye que la combustión no alcanza como explicación y que hay que mirar el núcleo.
Después se pasa al centro del Sol, a unos quince millones de grados. Cuatro núcleos de hidrógeno, dibujados en azul, se acercan unos a otros hasta juntarse y se convierten en un único núcleo de helio, en verde y más grande. El rótulo dice que dos núcleos livianos se unen en uno más pesado.
Luego aparece una comparación de masas: a la izquierda los cuatro núcleos de hidrógeno, a la derecha el de helio, y entre ellos la frase «pesan más que». Debajo aparece E igual a m por c al cuadrado, con la aclaración de que la masa que falta se convirtió en energía y que el Sol convierte cuatro millones de toneladas por segundo.
La escena siguiente muestra la fisión. Un neutrón, en violeta, llega a un núcleo de uranio, en naranja. El núcleo se parte en dos fragmentos y expulsa tres neutrones, que viajan hacia la derecha y alcanzan tres núcleos de uranio nuevos. Cada uno de esos se parte a su vez y vuelve a expulsar neutrones. El rótulo explica que cada núcleo que se parte libera dos o tres neutrones y que cada uno puede partir otro: eso es la reacción en cadena.
Antes del cierre se comparan las dos en columnas: la fusión une núcleos livianos, ocurre en el Sol y las estrellas y acá todavía es experimental; la fisión parte núcleos pesados, ocurre en las centrales nucleares y tres funcionan en la Argentina. Debajo de las dos columnas, la misma frase: en las dos, parte de la masa desaparece y reaparece como energía.
El cierre escrito dice que el Sol funciona por fusión y las centrales nucleares por fisión, que en las dos la energía sale de una masa que desaparece, y que una reacción química no mueve los núcleos, razón por la cual entrega muchísimo menos.
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.
Para cada fuente, indicá si la energía viene de la fusión en el Sol o no, y escribí la cadena completa hasta llegar al Sol cuando corresponda.
Escribí una respuesta ordenada en tres partes.
Ocho preguntas. Al elegir una opción aparece una explicación, tanto si acertaste como si no: leela aunque hayas acertado.
Cargando preguntas…
