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Fusión nuclear en las estrellas: resumen

 
Por Francesca Balada. 5 abril 2021
Fusión nuclear en las estrellas: resumen

Todas las estrellas son astros que liberan una gran cantidad de energía que emiten en forma de radiaciones. Las emisiones del Sol, la estrella más cercana a nosotros, llegan hasta nosotros en forma de luz y calor. Este hecho se percibe de forma natural y la humanidad ha tenido consciencia de ello desde el principio de los tiempos. Sin embargo, lo que ya no resulta tan evidente es el tipo de reacción que da lugar a la liberación de esta enorme cantidad de energía. En esta lección de unPROFESOR te contamos en que consiste la fusión nuclear en las estrellas.

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¿Qué es la fusión nuclear y cómo se produce?

Las reacciones de fusión nuclear, como su nombre indica, son aquellas reacciones nucleares en las cuales varios núcleos de átomos ligeros se combinan para dar lugar a un nuevo átomo con un núcleo más pesado producto de la combinación de protones procedentes de varios núcleos atómicos distintos. La masa del núcleo resultante de este tipo de reacciones, puede ser ligeramente inferior a la suma de la masa de los dos átomos que han participado en la reacción. La diferencia de masa se libera en forma de energía de reacción, según la ecuación E=mc2.

Lo que supone la liberación de una gran cantidad de energía. Por lo tanto, la fusión nuclear es una forma muy eficiente de generar energía, mucho más que cualquier reacción química como puede ser la reacción de combustión de petróleo o madera. Una reacción de fusión nuclear genera, aproximadamente, diez millones de veces más energía que cualquier reacción química.

Sin embargo, este tipo de reacciones solo se dan en condiciones muy determinadas en las que la energía de repulsión entre las cargas positivas de dos núcleos ligeros, es superada por la fuerza nuclear que siempre es atractiva y de corto alcance. Esta condición solo se da cuando los núcleos atómicos se mueven a gran velocidad, lo que implica temperaturas muy elevadas. A temperaturas elevadas los átomos se encuentran en forma de plasma. El estado de plasma, es aquel estado físico de la materia, en el que los núcleos se encuentran desligados de los electrones.

Así pues, para que se produzca una reacción de fusión debe cumplirse el criterio de Lawson, que establece las condiciones de temperatura, la densidad del plasma y tiempo en que se mantienen estas condiciones (llamado tiempo de confinamiento del plasma), que son necesarios para desencadenar una reacción de fusión nuclear.

Fusión nuclear en las estrellas: resumen - ¿Qué es la fusión nuclear y cómo se produce?

¿Cómo se genera energía en las estrellas?

La definición más sencilla de una estrella es la que dice que se trata de un astro que emite luz propia. Profundizando un poco más, podemos decir que se trata de una enorme esfera de gas en revolución, donde el gas es atraído hacia el centro de la esfera por las fuerzas gravitatorias, alcanzando elevadas presiones y temperaturas que desencadenan reacciones nucleares que liberan grandes cantidades de energía hacia el exterior en forma de radiaciones electromagnéticas, luz y calor.

Dado que una estrella es un gran reactor nuclear, su composición no es constante y evoluciona a lo largo del tiempo desde su nacimiento, en que se produce la ignición o “encendido” de la estrella; hasta que la estrella agota todo su combustible y “muere”.

A lo largo de las distintas etapas de la vida de una estrella, la composición y condiciones en las que se encuentra su plasma van cambiando, y con ellas las reacciones de fusión nuclear que encontramos en su núcleo.

En esta lección veremos con detalle la reacción de fusión nuclear más común en las estrellas de la secuencia principal, como por ejemplo nuestro Sol.

Fusión nuclear en las estrellas: resumen - ¿Cómo se genera energía en las estrellas?
Imagen: Prezi

¿Cómo se produce la fusión nuclear en las estrellas?

En las estrellas se cumple el criterio de Lawson para que tengan lugar reacciones de fusión nuclear. En este caso el confinamiento del plasma, viene dado por la enorme fuerza gravitatoria. Las distintas reacciones de fusión requieren distintas condiciones de temperatura y densidad para que tengan lugar de forma óptima.

Dependiendo de la masa y la edad de la estrella, las reacciones de fusión que tienen lugar en su núcleo pueden ser de tres tipos distintos: fusión protón-protón, fusión del helio o el ciclo del carbono. A modo de resumen veremos la reacción protón-protón que es la más frecuente.

Fusión protón-protón: transformación de Hidrógeno a Helio.

Una estrella de la secuencia principal, se compone de un 70% de Hidrógeno, un 28% de Helio y un 1,5% de carbono, ozono, oxígeno y neón y un 0,5% de hierro y otros elementos. Por lo tanto su combustible principal es el hidrógeno, que es el átomo más sencillo y cuyo núcleo está formado por un único protón (partícula subatómica con masa y carga positiva).

El ciclo de reacción de la fusión protón-protón se resume en cinco pasos:

1.- Fusión de dos protones

En el interior de la estrella, dos átomos de hidrógeno, es decir dos protones, se fusionan para dar lugar a un solo núcleo.

2.- Formación de Deuterio

En este núcleo formado por dos protones, uno de ellos se transforma en un neutrón (partícula subatómica con masa, pero sin carga), dando lugar a un núcleo de deuterio, un isótopo pesado del hidrógeno que tiene un núcleo formado por un protón y un neutrón. Este paso del ciclo requiere energía y en él se desprende un positrón o antielectrón (partícula con las mismas características del electrón pero con carga positiva) y un neutrino electrónico o leptón (partícula subatómica que tiene una masa un millón de veces menor que la del electrón).

3.- Formación de núcleos de Helio-3

El deuterio, producido en la segunda reacción del ciclo participa en una nueva reacción de fusión nuclear, incorporando un protón. La fusión del núcleo de deuterio con otro protón (núcleo de hidrógeno) da lugar a un núcleo de Helio-3 (formado por dos protones y un neutrón).

4- Fusión de dos núcleos de Helio

En esta cuarta reacción dos núcleos de Helio se fusionan entre sí, para dar lugar a un único núcleo formado por dos neutrones y cuatro protones.

5.- Liberación de dos protones

En la última reacción del ciclo, el núcleo formado en la reacción anterior se forma un núcleo de Helio, también llamado partícula alfa, que está formado por dos neutrones y dos protones, mediante la liberación energética de dos protones.

El ciclo completo de la fusión protón-protón supone una generación de energía de 25 MeV (mega-electrón voltios).

Fusión nuclear en las estrellas: resumen - ¿Cómo se produce la fusión nuclear en las estrellas?
Imagen: Planetas

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Bibliografía
  • Borexino Collaboration*(2014). Neutrinos from the primary proton–proton fusion process in the Sun. Stuttgart: Macmillan Publishers Limited.
  • Davide Castelvecchi.(2020). Los neutrinos revelan el secreto final de la fusión nuclear en el Sol. Investigación y ciencia.Barcelona: Prensa científica S.L.
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