Configuración ligada a la energía interna en la fusión nuclear

Question

He leído que

cuando se produce una reacción en la que los productos de la reacción se encuentran en un estado menos energético que los reactantes, la energía cinética de los productos aumenta con respecto a la de los reactantes. Por estado los electrones (reacción química) o nucleones (reacción nuclear) son más nuclear) están más fuertemente ligados, por lo que los átomos o núcleos de los productos tienen menos energía interna que la energía interna de los reactantes, y esta disminución de la energía interna es una disminución de la masa en reposo. en reposo. En una reacción la energía total E de los productos es igual a la de los reactantes. Para la reacción, la energía es equivalente a la masa a través de $E=mc^2=T+m_0c^2$ donde $m$ es la masa relativista y $T$ es el energía cinética relativista; para una reacción exotérmica $T$ de la productos es superior a $T$ de los reactivos y $m_0$ de los productos es inferior a $m_0$ de los reactivos. La disminución de la masa en reposo es una disminución de la energía interna. La disminución de la masa en reposo es consecuencia de la electrones o nucleones de los productos están en un estado menos energético (más fuertemente ligados) que los reactantes, y se necesitaría energía para restablecer la energía interna de los productos a la energía interna de los reactantes. La energía de enlace es una medida de lo fuertemente ligados que están los electrones/nucleones y un aumento en la energía de enlace es una disminución de la masa en reposo.

Por qué al estar ligados disminuye la energía interna de los nucleones y si la energía disminuye, debería ser en pequeña cantidad y debería ser igual a una cantidad muy minúscula de masa mientras que la energía liberada como producto de la fusión nuclear es enorme... Por favor, indique la razón por la que la energía disminuye después de que las partículas se unen y debe ser de pequeña cantidad, mientras que la energía liberada como producto de la fusión nuclear es enorme. es grande.

Answer 1

En cuanto a tu primera pregunta, ¿por qué el hecho de que las partículas estén más fuertemente ligadas disminuye en lugar de aumentar su masa en reposo?, piénsalo de la siguiente manera: cuando los nucleones están más fuertemente ligados, necesitas añada energía al sistema para forzarlos a alejarse. En otras palabras, es necesario realizar un trabajo (es decir, gastar energía) para separar más los nucleones entre sí. Cuando se añade energía, se añade masa (relativista).

En cuanto a su segunda pregunta, por supuesto que la diferencia de masa para una sola reacción atómica es minúscula a escalas macroscópicas. Sin embargo, considere la diferencia entre la energía liberada por reacción de fusión (17,6 MeV en el caso de la fusión DT) y la energía liberada en una reacción química (por ejemplo, al quemar carbón), que es del orden de 1-10 eV por reacción (dependiendo de la sustancia que se esté quemando, etc.). De esto se deduce que la diferencia de energía liberada por reacción es de seis órdenes de magnitud - nuclear (fusión, pero también fisión) libera un millón de veces más energía por reacción que quemar algo. Si ampliamos la escala a un reactor de fusión en el que la densidad del combustible es del orden de $10^{20}$ partículas/m $^{3}$ en un reactor de varios (cientos de) metros cúbicos de volumen, y se obtiene una producción de energía muy grande.

EDIT: en respuesta a la pregunta adicional de Hardik: Hay fuerzas en juego aquí, la fuerza nuclear fuerte y la fuerza electromagnética. La forma en que los nucleones se unen es a través de la fuerza nuclear fuerte, que supera fácilmente la repulsión electromagnética de los protones positivos en el núcleo, pero sólo a distancias cortas. Por tanto, antes de que los núcleos reaccionantes se acerquen lo suficiente como para que la fuerza fuerte tome el control y una los nucleones en una nueva partícula más fuertemente ligada y, por tanto, más ligera, es necesario realizar un gran esfuerzo para superar la repulsión electromagnética. Por eso los plasmas de fusión tienen que estar tan calientes; las partículas necesitan suficiente energía cinética para superar esta barrera energética que crea la fuerza electromagnética. Sin embargo, una vez superada esta barrera, el pozo de potencial al otro lado, donde la fuerza fuerte toma el relevo, es mucho más profundo que la energía que has tenido que poner para acercar las partículas. Esto se ilustra muy bien en este esquema:

En esta figura, imagina que una partícula se sitúa en el origen a la izquierda, mientras que la otra se aproxima por la derecha. Para que la partícula de la derecha supere la barrera de Coulomb, hay que introducir una cantidad de energía igual a la del área sombreada de color púrpura, pero entonces cae en el pozo de potencial de la fuerza fuerte, que libera el área sombreada de color verde de energía, que es mayor que el área sombreada de color púrpura porque el pozo es muy profundo (la fuerza fuerte es mucho más fuerte que la fuerza electromagnética). Esta es la energía que se libera en una reacción de fusión.

Answer 2

La energía de fusión es enorme a condición de producir muchas fusiones unitarias. La fusión D+T produce 17,58 MeV. Calcule este valor en julios y, a continuación, calcule cuántas reacciones de fusión serán necesarias para que el ITER funcione a 400 MW.