¿Por qué la fusión nuclear da más energía que la fisión nuclear?

• La fusión nuclear y la fisión nuclear son diferentes tipos de reacciones que liberan energía debido a la presencia de enlaces atómicos de alta potencia entre las partículas que se encuentran dentro de un núcleo.
• En fisión, un átomo se divide en dos o más átomos más pequeños y ligeros.
• La fusión, por el contrario, ocurre cuando dos o más átomos más pequeños se fusionan, creando un átomo más grande y más pesado.
• La energía liberada por fusión es tres o cuatro veces mayor que la energía liberada por fisión.

Veamos un par de reacciones nucleares: la fisión de U235 [como se hace en reactores nucleares] y la fusión DT [que es en lo que se está trabajando para producir energía] .

1. Primero, cada reacción de fisión nos da alrededor de 200 MeV de energía. [De eso, alrededor de 10 MeV se destinan a neutrinos que no podemos capturar, pero usemos 200 MeV para números redondos
2. El núcleo que estamos fisionando : U235 tiene una masa de 235 unidades de masa atómica [236 si contamos el neutrón incidente]
3. Entonces, la fisión nos da aproximadamente 1 MeV / unidad de combustible de masa atómica .
4. Hagamos lo mismo con DT fusion. [Deuterio – Tritio] DT fusion le da 17.6 MeV de energía [menos que una reacción de fisión]
5. Sin embargo, el combustible tiene una masa de 5 [2 para la D y 3 para la T]. Por lo tanto, la energía por unidad de masa atómica de combustible es 17.6 MeV / 5 amu = 3.52 MeV / amu. Entonces la fisión nos da más energía por reacción, pero la fusión nos da más energía por unidad de masa para estas reacciones.
6. Por qué las energías [200 MeV para fisión y 17.6 MeV para fusión] son ​​lo que son es que son la diferencia en las masas entre los reactivos y los productos. Si tomamos la masa de D, sumamos la masa de T, restamos la masa de He4 y restamos la masa de un neutrón, luego multiplicamos por el cuadrado de la velocidad de la luz [E = mc ^ 2] obtendremos 17.6 MeV.
   Por qué las masas son lo que son, eso se complica.

Referencia ¿Por qué la fusión es más fuerte que la fisión?

Una hermosa pregunta de hecho y bueno, la respuesta es RELATIVA.

En realidad, la pregunta no es precisa.

Primero, comprendamos cuál es el principio básico detrás de las reacciones de Fisión Nuclear y Fusión. En la reacción de fisión nuclear, un átomo inestable pesado se divide en átomos más ligeros y más estables, mientras que en la reacción de fusión nuclear, los átomos inestables más pequeños se fusionan y crean elementos estables y más pesados.

Ahora, la pregunta es cómo estas reacciones generan energía, de hecho, una gran cantidad de energía y la respuesta está hermosamente dada por la fórmula de Equivalencia de Masa-Energía de Einstein, es decir, E = mc ^ 2. En estas reacciones, las masas en reposo de los reactivos y productos no son iguales. Se puede observar que siempre hay alguna diferencia en las masas de los núcleos de reactivos y productos y este cambio en la masa se compensa con la energía generada.

Para una explicación más detallada, consideremos algunos ejemplos básicos:

Reacción de fusión nuclear

Tomemos la reacción DT, que se muestra en la imagen a continuación.

Aquí, un átomo de deuterio (2.01410178 amu) y un átomo de tritio (3.01604927 amu) se fusionan para formar un átomo de helio estable (4.00260325 amu) y liberan un neutrón (1.00866492) en el proceso junto con una energía de xxxx.xxxx MeV (lo haremos calcularlo en los siguientes pasos).

Ahora, la masa restante de los reactivos = Mr

= masa (Deuterio) + masa (Tritio)

= 2.01410178 + 3.01604927 amu = 5.03015105 amu

Y de manera similar, la masa restante de los productos = Mp

= masa (helio) + masa (neutrón)

= 4.00260325 + 1.00866492 amu = 5.01126817 amu

Diferencia en la masa observada = Mr – Mp = 0.01888288 amu

Energía equivalente a 1 amu = 931.4812 MeV (de E = mc ^ 2)

Entonces, la cantidad de energía liberada en esta reacción de fusión = 17.58904772 MeV

Reacción de fisión nuclear

Tomemos el ejemplo del U-235, que se muestra en la imagen a continuación.

Aquí, un isótopo de uranio-235 (235.04392990 amu) es bombardeado con un neutrón para hacerlo inestable, el átomo de U-236 y finalmente se rompe en dos átomos más pequeños y estables Krypton-92 (91.900 amu) y Bario-141 (140.910 amu) a lo largo con 3 neutrones (1.00866492) y en el proceso se libera una energía de xxxx.xxxx MeV (la calcularemos en los siguientes pasos).

Ahora, la masa restante de los reactivos = Mr

= masa (U-235) + masa (neutrón)

= 235.04392990 + 1.00866492 amu = 236.05259482 amu

Y de manera similar, la masa restante de los productos = Mp

= masa (Kr-92) + masa (Ba-141) + masa (neutrón) x3

= 91.900 + 140.910 + 1.00866492 x 3 amu = 235.83599476 amu

Diferencia en la masa observada = Mr – Mp = 0.21660006 amu

Energía equivalente a 1 amu = 931.4812 MeV (de E = mc ^ 2)

Entonces, la cantidad de energía liberada en esta reacción de fusión = 201.758883 MeV

Por lo tanto, se puede concluir fácilmente que, la energía liberada en caso de una reacción de fisión fue mayor que la de la reacción de fusión.

PERO

La masa de los reactivos en el caso de una reacción de fusión fue mucho menor que la utilizada en la reacción de fisión y la energía liberada fue casi 1/10 de la de la reacción de fisión. Entonces, si calculamos con respecto a 1 amu de reactivos involucrados obtenemos 17.859 MeV por 5.03 amu de masa de reactivo, es decir, 3.55 MeV por amu en caso de una reacción de fusión y 201.759 MeV por 236.0526 amu de masa de reactivo, es decir, 0.8547 MeV por amu en fisión reacción.

Entonces, si consideramos una reacción, la energía liberada en la fisión es mayor en comparación con la reacción de fusión, ya que la diferencia de masa de los productos y los reactivos es mayor en la fisión.

Pero si consideramos la masa de reactivos utilizados, una cantidad equivalente de reactivos generará una mayor cantidad de energía en la fusión en comparación con la de la fisión porque los reactivos involucrados en la reacción de fusión son más pequeños y más livianos en masa que los reactivos utilizados en la fisión. reacción.

Fuente de la imagen: Google

amu – unidad de masa atómica

Respuesta corta: la fusión no libera más energía por reacción que las reacciones de fisión.

Para más detalles, consulte http: //hyperphysics.phy-astr.gsu …

Las reacciones de fusión de los isótopos de hidrógeno y helio liberan entre 3.27 y 18.3 MeV mientras que la fisión de metales pesados ​​libera alrededor de 180 MeV inmediatamente más otros 20 MeV a medida que los productos de fisión decaen.

Sin embargo, la fisión ocurre en reactores nucleares artificiales que son mucho más pequeños que las estrellas. La diferencia es el tamaño del reactor y la cantidad de combustible procesado por unidad de tiempo.

Comencemos por lo básico;

¿Qué es una fusión nuclear! Es el proceso en el que 2 o más núcleos más ligeros se fusionan para formar un núcleo más pesado y en el proceso debido a defectos de masa se libera energía. Por ejemplo, 4 núcleos de hidrógeno se fusionan para formar un núcleo de helio y se libera energía.

¿Qué es un núcleo de fisión! Es el proceso en el que un núcleo de cabecera se divide en 2 o más núcleos más ligeros y, debido a una nueva falla de masa, se libera energía. Por ejemplo, el uranio235 cuando se bombardea con un neutrón se divide en bario 141, criptón 92, se liberan 3 neutrones libres y energía.

¿Cuánta energía se libera en una reacción de fusión?

Masa de un núcleo de hidrógeno = 1.00728 amu

Masa de 4 hidrógeno = 4.02912 amu

Masa de un núcleo de helio = 4.002602 amu

Energía liberada en el proceso = 4.02912 -4.002602 = 0.026518 amu ~ 24701347.67 eV

¿Cuánta energía se libera en la reacción de fisión?

Masa de U236 = 236.045568 amu

Masa de Ba 141 = 113.95068 amu

Masa de Kr 92 = 91.926156 amu

Masa de 3 nutrones libres = 3 × 1.00866491588 = 3.02599474764 amu

Energía liberada en el proceso = 236.045568- (113.95068 + 91.926156 + 3.02599474764) = 27.1427372524 amu ~ 25283286439.85 eV

Del cálculo anterior, la energía liberada en la reacción de fisión es mucho más alta que la reacción de fusión.

Sin embargo, si comparamos la cantidad total de energía liberada cuando 1 kg de hidrógeno se somete a fusión con la cantidad total de energía liberada cuando 1 kg de uranio se convierte en fisión, la energía total de la reacción de fusión será mayor como la cantidad de núcleo de hidrógeno por 1 kg de hidrógeno es muy alto en comparación con el número de núcleos de uranio por 1 kg de uranio.

Debido a la diferencia en el número de reacciones por 1 kg de combustible, la energía total liberada cuando 1 kg de hidrógeno se somete a fusión (6,45 x 10 ^ 14 julios) es mayor que la energía total liberada cuando 1 kg de uranio sufre fisión (4,9 × 10 ^ 13 julios) .

Imagen cortesía de: Google

Los nucleones se sienten atraídos por cada uno, por la Fuerza Fuerte, que sobrepasa la Fuerza Electromagnética a distancias muy cortas.

En la fusión, inicialmente tiene partículas libres que “caen hasta el fondo del pozo del Potencial Fuerte”, vagamente como un electrón libre que se une a un protón.

En la fisión, ya tiene partículas unidas que están en estados ligeramente excitados, vagamente como electrones unidos pero excitados en un átomo de hidrógeno neutro.

Entonces, la fusión (de H) libera más energía por nucleón, por partícula, porque es una transición de estado libre a estado fundamental, en lugar de estado excitado a estado fundamental.

Como muestran los numerosos gráficos, en algún lugar alrededor del silicio, la energía de fusión por nucleón no sería mayor que en la fisión. Las grandes ganancias son solo para núcleos muy ligeros, que son similares a las partículas libres que pueden caer completamente en el potencial de interacción … mientras que todo lo demás solo está “ligeramente excitado” en comparación con el estado ideal de Iron Peak Elements, y no No tiene tanta energía para emitir cuando se “desexcita” hacia ese estado de “ideal de hierro”.

En ambos, la energía se produce al convertir la masa directamente en energía, a través de:

Energía = Masa * Velocidad de la luz ^ 2

La famosa ecuación de Albert Einsteins.

Estamos convirtiendo la “energía de enlace”, básicamente la masa que pega el centro del átomo.

Puede obtener más energía de enlace, por parte atómica, de átomos más pequeños.

Parece que todo se trata de dinero y geometría y reutilización. Diseño de arma nuclear

El plutonio se somete a una fisión espontánea, de modo que siempre hay unos pocos neutrones alrededor de la dieta para comenzar una reacción en cadena antes de que desee que cause un chisporroteo.

Así que quiero mantener mi plutonio en un ensamblaje bastante lejos de ser crítico y de repente hacerlo supercrítico. Puedes hacer una esfera hueca de explosivos dentro de la cual hay una esfera hueca de uranio natural dentro de la cual hay una esfera hueca de plutonio. Cuando explotamos la bomba, el uranio se comprime, comprime el plutonio, el plutonio se vuelve supercrítico y explota.

Si llenamos el hueco dentro de la esfera de plutonio con litio6-deuteruro. El litio 6 cambia a tritio, el tritio se fusiona con el deuterio emitiendo 17.6 Mev incluyendo un neutrón de 14.1 MeV. El neutrón fisiona un núcleo de uranio y emite otros 200 MeV (más más neutrones).

El uranio natural es barato y esto hace un uso eficiente del neutrón de fusión.

Los neutrones de fisión, en contraste, se crean con una energía promedio del orden de un MeV y son mucho, mucho menos efectivos en la fisión rápida de uranio y particularmente U238 (que es 99 +% del uranio natural).

El litio y el hidrógeno son elementos ligeros, de modo que es relativamente barato separar el deuterio y el litio seis. Así que hemos obtenido un montón de energía extra al llenar el vacío en el centro de la bomba con deuteruro de litio relativamente barato.

Creo que los dos dan la misma cantidad de energía.

Donde los dos difieren es en la esquina de la fisión, los átomos individuales más grandes se dividen en dos átomos más pequeños para crear energía térmica, y en el lado de fusión del anillo se logra el mismo resultado al unificar dos átomos más pequeños para formar uno más grande.

Sin embargo, la fisión tiene el potencial de volverse mucho más desordenada. Piensa en lo que está sucediendo en los reactores nucleares de hoy y tienes un excelente ejemplo de fisión en el trabajo, pero el problema a veces es que la tecnología que rodea la fisión no funciona.

Fusión, por otro lado, es lo que encuentras que ocurre naturalmente en el interior del sol de la Tierra y las estrellas en nuestra galaxia. En sus núcleos, los átomos que chocan perpetuamente se fusionan y, en el proceso, se vuelven más ligeros que sus partes originales. Gracias a los principios establecidos en la fórmula E = mc² de Einstein, esa diferencia de masa se convierte en energía.

Si aún no está satisfecho, debe dirigirse a este artículo para obtener más información sobre Nuclear Fusion.

Como señaló otro, la fisión puede liberar más energía “por reacción” que la fusión.

Sin embargo, la fusión puede liberar más energía por nucleón, lo que equivale a más energía por unidad de peso. Si fusionamos dos deuterones, de alguna manera, para formar un átomo de helio, y si el helio no se rompe (lo cual es raro con la fusión en caliente normal, la producción de helio es una rama rara, pero simplifica nuestro examen aquí), la energía se liberan 23.8 MeV / 4 nucleones, o aproximadamente 6 MeV por unidad de masa atómica.

(¿Es esta la reacción de fusión más enérgica por nucleón?)

Según la fisión nuclear, la energía del nucleón para las reacciones de fisión es de aproximadamente 0,9 MeV por AMU.

Entonces, por gramo de combustible, el material fusible o fisionable, la fusión libera más energía.

Esto se debe a la forma en que opera la energía de unión a medida que aumenta el número de nucleones. Tanto la energía de fisión como la de fusión provienen de la energía de unión liberada.

La respuesta de Mark Laris a ¿Por qué la fusión nuclear da más energía que la fisión nuclear?

tiene esta tabla de energía de unión por número atómico:

Como puede ver, la pendiente es muy empinada en el extremo inferior.

Así es como entiendo esto. Tenga en cuenta que mi estudio de física nuclear comenzó cuando tenía unos doce años, en 1956. Aprendí modelos clásicos. Mucho ha cambiado, así que estas son solo mis ideas, veremos cómo responden quienes están al día.

La fuerza que mantiene unido el núcleo atómico es causada por la interacción Fuerte.

Esta fuerza es extremadamente fuerte. Sin embargo, opera en un rango corto. En el lado de fusión de la curva de energía de unión, imagine que dos núcleos de deuterio, que son cada uno un protón y un neutrón, se acercan lo suficiente como para que la fuerza fuerte se apodere, superando fácilmente la repulsión normal de las cargas eléctricas de protones. Los cuatro nucelones colapsan, y supongo que colapsarán en el empaque más eficiente posible para lo que son. El colapso es una fuerza muy fuerte que actúa a distancia. Entonces, cuando tocan fondo, por así decirlo, estarán excitados, ardientes. (¡Imagine un meteorito cayendo a la tierra!) Si el núcleo no se rompe (lo que puede, y, de hecho, con la fusión de deuterio generalmente lo hace, rompiéndose en dos productos diferentes que aún tienen más energía de unión que el deuterio), que se debe liberar energía, y es así, se emite un fotón que transporta la energía.

La mayor ganancia en eficiencia de empaque está en el extremo inferior. La eficiencia alcanza un máximo en el medio de la tabla. Eso es sobre el hierro. A medida que los núcleos se hacen más grandes, el núcleo comienza a mostrar una reducción de energía por la disminución de la fuerza debido al rango muy corto de la fuerza fuerte, que ya no “alcanza” todo el núcleo con tanta fuerza.

Por encima de un número atómico de aproximadamente 20, (20 protones), se necesitan más neutrones para estabilizar el núcleo. Agregar neutrones agrega efectos de fuerza fuerte, solo, mientras que los protones agregan fuerza fuerte pero también repulsión de la carga. (Antes de 20, los núcleos son más estables con un número igual de protones y neutrones).

En una reacción de fusión, dos núcleos más ligeros se combinan para formar núcleos más pesados ​​como:
(2) Deuterio + (3) Tritio = (4) Helio + (1) neutrón + 17,6 MeV
(Deuterio y tritio son isótopos de hidrógeno)
en el proceso, liberan 17.6Mev de energía por reacción.

En una reacción de fisión, un núcleo más pesado como el uranio (235) se rompe en núcleos más ligeros si se bombardea con un neutrón energético:

(235) Uranio + (1) neutrón = (144) Bario + (89) Criptón + (3 ) n eutrones + 177 MeV
entonces, aquí se liberan casi 177 Mev de energía por reacción.

parece que una reacción de fisión está liberando más energía que una reacción de fusión (obviamente 177> 17.6) ¿verdad?

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Escuché que la fusión da más energía que la fisión. así que me gustaría pensarlo de esta manera:

236 gramos de uranio dan 177 unidades de energía por reacción de fisión.
5 gramos de hidrógeno (2 grm de deuterio + 3 grm de tritio) liberan 17,6 unidades de energía mediante una reacción de fusión.

Ahora piense cuánta energía pueden dar 236 gramos de hidrógeno:
(17.6 / 5) * (236) = 830.72 unidades … eso es casi 4.6 veces mayor que la energía liberada por una reacción de fisión de la misma masa …

Ambos procesos operan en E = mc ^ 2, por lo que ambos liberan la misma cantidad por unidad de masa. Hay diferentes reacciones de fusión y fisión, por lo que es difícil compararlas una a una. Dado que la fisión generalmente involucra átomos mucho más pesados, tiene inherentemente más potencial energético.

Si está pensando en términos de bombas, las llamadas bombas de hidrógeno que emplean fusión son mucho más poderosas que las bombas de fusión más simples, pero la diferencia es realmente un problema de ingeniería. En una bomba de fisión ordinaria, el problema es generar suficientes neutrones para que los átomos pesados ​​se dividan. El núcleo de las bombas H más grandes está rodeado por un caparazón de uranio empobrecido, y los neutrones generados por la reacción de fusión provocan que el caparazón sufra fisión, lo que aumenta considerablemente el rendimiento.

No da más energía. Da exactamente la misma cantidad de energía por unidad de masa que se convierte. Si consideramos que la fisión es la ruptura de grandes partículas pesadas y torpes, y la fusión es la combinación de partículas pequeñas, la respuesta corta es que esas partículas gigantes en la reacción de fisión en realidad bloquean un porcentaje muy alto de las posibilidades de fisión allí al disminuir la velocidad. por la reacción en cadena. Las pequeñas partículas pequeñas en el proceso de fusión no se interponen tanto entre sí. Por lo tanto, un mayor porcentaje de la masa involucrada en este desorden se convierte en energía. Se crea exactamente la misma cantidad de energía por unidad de masa en ambos, pero se convierte más masa en la reacción de fusión.

Este gráfico podría ilustrar que la fusión produce mucha energía que la fisión. simplemente si observa el U235 en la fisión nuclear, produce otro átomo que se encuentra después del hierro en este gráfico, lo que significa una ligera diferencia en la energía liberada debido a la ruptura de los enlaces en el uranio para producir el otro elemento torio, por ejemplo. pero si observa el hidrógeno y el helio pesados, notará una gran diferencia en su energía de unión, lo que significa que obtener helio del hidrógeno libera una gran cantidad de energía, en realidad significa que también necesita mucha energía para producir y eso es lo que todavía en progreso en la investigación de la energía de fusión, la primera energía de fusión nuclear que produce mucha energía de la que consume está planeada para abrirse en Francia 2019, está planeada para producir 10 veces más energía de la que consume, toma 50 Mw produce 500 Mw

Como dijo Prakash Mudholkar, todo se reduce a la energía vinculante. Al hacer que la energía de enlace / nucleón se ralle, la energía nuclear es “más estable” y esto libera energía que puede usarse para fines pacíficos o destructivos.

Como acción individual, una fisión produce más energía que una fusión. Normalmente 8 veces más.

Como masa, un kg de uranio produciría alrededor de 4 veces menos energía que un kg de helio.

1 kg de uranio puede producir teóricamente 24,000,000 de unidades (KW horas).

La energía liberada por fusión es tres o cuatro veces mayor que la energía liberada por fisión. Esto se debe a que la cantidad de masa transformada en energía es mucho mayor en una reacción de fusión que en una reacción de fisión.

La fisión solo produce más energía de la que consume en núcleos grandes (ejemplos comunes son uranio y plutonio, que tienen alrededor de 240 nucleones (nucleón = protón o neutrón)). Fusion solo produce más energía de la que consume en núcleos pequeños (en estrellas, hidrógeno y sus isótopos fusionándose en helio). La energía liberada cuando 4 núcleos de hidrógeno (= protones) se fusionan (también hay algunas desintegraciones involucradas) en un núcleo de helio es de alrededor de 27 millones de voltios de electrones (MeV), o alrededor de 7 MeV por nucleón.

Para la fisión de U o P, las energías liberadas son alrededor de 200 MeV más o menos. La energía por evento es mayor (en estos ejemplos) en fisión, pero la energía por nucleón (fusión = aproximadamente 7 MeV / nucleón, fisión = aproximadamente 1 Mev / nucleón) es mucho mayor en fusión.

La fisión libera la energía de la fuerza electromagnética cuando partes del núcleo cargadas positivamente se alejan unas de otras. Fusion libera la energía de la fuerza fuerte (mucho más fuerte a distancias cortas que la fuerza EM) cuando las piezas pequeñas son capturadas y retenidas en un núcleo.

Si lo hace. No recuerdo el número exacto, pero justo en la parte superior de mi cabeza, libera aproximadamente 4 veces más por gramo.

es solo que durante la fisión, la mayor parte de la energía se libera debido a la ruptura de los enlaces y, en la fusión, la mayor parte de la energía se usa para formar enlaces (para formar un nuevo compuesto), la energía total podría ser la misma, pero la energía liberada es mayor en la fisión y la absorción es menor, la absorción de energía de fusión es mayor y la energía liberada es menor.