Nuclear fusion and fission · Fusión y fisión nuclear
| English | Español |
|---|---|
| nuclear fusion/ˈnjuːklɪə ˈfjuːʒn/ | fusión nuclear |
| nuclear fission/ˈnjuːklɪə ˈfɪʃn/ | fisión nuclear |
| kinetic energy/kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ | energía cinética |
| electrostatic/ɪˌlektrəʊˈstætɪk/ | electrostático |
| strong nuclear force/strɒŋ ˈnjuːklɪə fɔːs/ | fuerza nuclear fuerte |
| chain reaction/tʃeɪn rɪˈækʃn/ | reacción en cadena |
| critical mass/ˈkrɪtɪkl mæs/ | masa crítica |
Two opposite processes, one rule
- Joining two tiny nuclei releases energy. Splitting one enormous nucleus releases energy. Those sound like contradictory statements.
- They are not, because both are the same move: climbing the binding-energy-per-nucleon curve towards its peak.
- A nucleus already sitting at the peak, iron-56, can release energy by neither process. That is where a star's fusion stops.
- This lesson is nuclear fusion 核聚变, nuclear fission 核裂变, and how to calculate what they give out.
Both arrows point at iron
Dos procesos opuestos, una regla
- Unir dos núcleos pequeños libera energía. Dividir un núcleo enorme libera energía. Esas declaraciones parecen contradictorias.
- No lo son, porque ambas son el mismo movimiento: subir por la curva de energía de enlace por nucleón hacia su punto máximo.
- Un núcleo ya situado en el pico, el hierro-56, puede liberar energía mediante ninguno de los dos procesos. Ahí es donde se detiene la fusión estelar.
- Esta lección trata sobre fusión nuclear 核聚变, fisión nuclear 核裂变, y cómo calcular lo que producen.
Ambas flechas señalan al hierro
Why moving towards the peak releases energy
- On the curve, a higher position means each nucleon is more tightly bound.
- In both processes the products lie higher than the reactants, so the total binding energy increases.
- That extra binding energy is released, as the kinetic energy of the products and as photons.
- Equivalently, the total mass of the products is less than that of the reactants, by exactly $\Delta E/c^2$. Those are two descriptions of one event, and an answer wants both.
Por qué moverse hacia el pico libera energía
- En la curva, una posición más alta significa que cada nucleon está más fuertemente ligado.
- En ambos procesos los productos están más arriba que los reactivos, por lo que la energía de enlace total aumenta.
- Esa energía de enlace adicional se libera, como energía cinética de los productos y como fotones.
- Equivalentemente, la masa total de los productos es menor que la de los reactivos, exactamente en $\Delta E/c^2$. Estas son dos descripciones de un mismo evento, y una respuesta requiere ambas.
Nuclear fission chain reaction · Reacción en cadena de fisión nuclear
A neutron splits a heavy nucleus, releasing energy and more neutrons — which split more nuclei. · Un neutrón divide un núcleo pesado, liberando energía y más neutrones, que dividen más núcleos.
Energy is released when nuclei move: · La energía se libera cuando los núcleos se mueven:
Climbing the B/A curve toward iron means the products are more tightly bound, so energy is released. · Subir la curva B/A hacia el hierro significa que los productos están más fuertemente unidos, por lo tanto se libera energía.
Put the explanation of why fusion and fission both release energy in order. · Ordena la explicación de por qué tanto la fusión como la fisión liberan energía.
The mass loss and the binding-energy gain are the same event described two ways, and a full answer says both. · La pérdida de masa y la ganancia de energía de enlace son el mismo evento descrito de dos formas, y una respuesta completa menciona ambas.
An iron-56 nucleus can release energy by either fusion or fission. · Un núcleo de hierro-56 puede liberar energía ya sea mediante fusión o fisión.
It sits at the peak, so every move takes it DOWN the curve and would need energy put in. This is why fusion inside a star stops at iron. · Se encuentra en el pico, por lo que cualquier movimiento lo lleva ABAJO de la curva y requeriría que se introdujera energía. Por eso la fusión dentro de una estrella se detiene en el hierro.
Fusion
- Fusion joins two light nuclei into one heavier nucleus:
- The product has greater binding energy per nucleon than the reactants, so energy comes out. This is what powers every star.
- It needs millions of kelvin, and the reason is specific: the nuclei are both positive, so they must have enough kinetic energy 动能 to overcome their electrostatic 静电 repulsion and get close enough for the strong nuclear force 强核力 to take over.
- "It needs high temperature" alone is half an answer. Name the repulsion being beaten and the force taking over.
Fusión
- La fusión une dos núcleos ligeros en uno más pesado:
- El producto tiene mayor energía de enlace por nucleon que los reactivos, por lo que sale energía. Esto es lo que alimenta a todas las estrellas.
- Necesita millones de kelvin, y la razón es específica: los núcleos son ambos positivos, por lo que deben tener suficiente energía cinética 动能 para superar su repulsión electrostática 静电 y acercarse lo suficiente para que la fuerza nuclear fuerte 强核力 tome el control.
- "Necesita alta temperatura" por sí solo es solo medio respuesta. Nombra la repulsión que se vence y la fuerza que toma el control.
Fusion needs very high temperatures to overcome the electrostatic repulsion between nuclei. · La fusión requiere temperaturas muy altas para superar la repulsión electrostática entre núcleos.
The nuclei must get close enough for the strong force to act, despite repelling — hence the millions of kelvin in stars. · Los núcleos deben acercarse lo suficiente para que actúe la fuerza fuerte, a pesar de repelerse — de ahí los millones de kelvin en las estrellas.
Why does fusion need millions of kelvin? Select all · todos that apply. · ¿Por qué la fusión necesita millones de kelvin? Selecciona todos los que correspondan.
"It needs high temperature" is half an answer. Name the electrostatic repulsion being beaten and the strong nuclear force taking over. · “Necesita alta temperatura” es solo media respuesta. Nombra la repulsión electrostática que se supera y la fuerza nuclear fuerte que toma el control.
Fission
- Fission splits a heavy nucleus into two lighter ones, usually after it absorbs a neutron:
- The products sit higher on the curve than uranium-235, so energy is released.
- The extra neutrons can trigger further fissions: a chain reaction 链式反应, which sustains itself only in a large enough mass of fuel, the critical mass 临界质量.
- Below the critical mass too many neutrons escape from the surface before finding a nucleus, and the reaction dies out.
One neutron in, three out
Fisión
- La fisión divide un núcleo pesado en dos más ligeros, generalmente después de absorber un neutrón:
- Los productos se sitúan más arriba en la curva que el uranio-235, por lo que se libera energía.
- Los neutrones extra pueden desencadenar más fisiones: una reacción en cadena 链式反应, que se sostiene únicamente en una masa suficientemente grande de combustible, la masa crítica 临界质量.
- Por debajo de la masa crítica, demasiados neutrones escapan de la superficie antes de encontrar un núcleo, y la reacción se extingue.
Un neutrón entra, tres salen
The extra neutrons released in fission can trigger a ____ reaction. · Los neutrones extras liberados en la fisión pueden desencadenar una reacción de ____.
Each fission releases neutrons that cause more fissions — a chain reaction in a critical mass of fuel. · Cada fisión libera neutrones que causan más fisiones: una reacción en cadena en una masa crítica de combustible.
A sustained chain reaction needs a critical mass of fuel. · Una reacción en cadena sostenida necesita una masa crítica de combustible.
Below the critical mass too many neutrons escape, and the reaction dies out. · Por debajo de la masa crítica, muchos neutrones escapan y la reacción se extingue.
The marked contrast
- Fission: a heavy nucleus, large $A$, splits into two lighter nuclei of roughly similar mass, usually after absorbing a neutron, and releases further neutrons.
- Fusion: two light nuclei, small $A$, join into one heavier nucleus, and it needs very high temperature and pressure to overcome the electrostatic repulsion.
- Both release energy, but per kilogram of fuel, fusion releases more.
- Write the contrast in matched pairs: heavy against light, splits against joins, absorbs a neutron against needs high temperature. A list of facts about only one of them scores half.
El marcado contraste
- Fisión: un núcleo pesado, gran $A$, se divide en dos núcleos más ligeros de masa aproximadamente similar, generalmente después de absorber un neutrón, y libera más neutrones.
- Fusión: dos núcleos ligeros, pequeño $A$, se unen en un núcleo más pesado, y necesita muy alta temperatura y presión para vencer la repulsión electrostática.
- Ambas liberan energía, pero por kilogramo de combustible, la fusión libera más.
- Escribe el contraste en pares coincidentes: pesado contra ligero, se divide contra se une, absorbe un neutrón contra necesita alta temperatura. Una lista de hechos sobre solo uno de ellos obtiene la mitad de la puntuación.
Match each process to what it does. · Asocia cada proceso con lo que hace.
Both move toward the iron peak, so both can release energy. · Ambos se acercan al pico del hierro, por lo que ambos pueden liberar energía.
Match each feature to the process it describes. · Asocia cada característica con el proceso que describe.
Write the contrast in matched pairs. A list of facts about only one process collects half the marks. · Escribe el contraste en pares emparejados. Una lista de datos sobre solo un proceso obtiene la mitad de los puntos.
Worked example: energy from a mass change
- In a nuclear reaction the total mass decreases by $0.020\ \text{u}$. Find the energy released.
- $\Delta E = \Delta m\,(\text{u}) \times 931 = 0.020 \times 931 = 19\ \text{MeV}$.
- The recipe is always the same four moves: total mass of reactants, total mass of products, $\Delta m = m_{\text{reactants}} - m_{\text{products}}$, then $\Delta E = c^2\Delta m$.
- A positive $\Delta m$ means energy is released. If you get a negative answer you have subtracted the wrong way round, not discovered a reaction that absorbs energy.
Ejemplo resuelto: energía de un cambio de masa
- En una reacción nuclear la masa total disminuye en $0.020\ \text{u}$. Encuentra la energía liberada.
- $\Delta E = \Delta m\,(\text{u}) \times 931 = 0.020 \times 931 = 19\ \text{MeV}$.
- La receta siempre son los mismos cuatro pasos: masa total de reactivos, masa total de productos, $\Delta m = m_{\text{reactants}} - m_{\text{products}}$, luego $\Delta E = c^2\Delta m$.
- Un $\Delta m$ positivo significa que se libera energía. Si obtienes una respuesta negativa, restaste en orden incorrecto, no has descubierto una reacción que absorbe energía.
A reaction has a mass change of $0.020\ \text{u}$. How much energy is released, in MeV? · Una reacción tiene un cambio de masa de $0.020\ \text{u}$. ¿Cuánta energía se libera, en MeV?
$\Delta E = \Delta m\,(\text{u}) \times 931 = 0.020 \times 931 \approx 18.6\ \text{MeV}$.
Worked example: fusing two deuterium nuclei
- The mass defect of $^{2}_{1}\text{H}$ is $0.002388\ \text{u}$ and that of $^{4}_{2}\text{He}$ is $0.030377\ \text{u}$. Find the energy released when two deuterium nuclei fuse into one helium-4 nucleus.
- Work with binding energies, since mass defects are given. Before: $2 \times 0.002388 = 0.004776\ \text{u}$ of defect. After: $0.030377\ \text{u}$.
- The defect has increased by $0.030377 - 0.004776 = 0.025601\ \text{u}$, and an increase in mass defect is energy given out.
- $\Delta E = 0.025601 \times 931 = 23.8\ \text{MeV}$.
- Note the shape of it: you may work either from the masses of the nuclei or from their mass defects, but never mix the two in one sum.
Ejemplo resuelto: fusionar dos núcleos de deuterio
- El defecto de masa de $^{2}_{1}\text{H}$ es $0.002388\ \text{u}$ y el de $^{4}_{2}\text{He}$ es $0.030377\ \text{u}$. Encuentra la energía liberada cuando dos núcleos de deuterio se fusionan en un núcleo de helio-4.
- Trabaja con energías de enlace, ya que se dan defectos de masa. Antes: $2 \times 0.002388 = 0.004776\ \text{u}$ de defecto. Después: $0.030377\ \text{u}$.
- El defecto ha aumentado en $0.030377 - 0.004776 = 0.025601\ \text{u}$, y un aumento en el defecto de masa es energía entregada.
- $\Delta E = 0.025601 \times 931 = 23.8\ \text{MeV}$.
- Nota la forma: puedes trabajar tanto desde las masas de los núcleos como desde sus defectos de masa, pero nunca mezcles los dos en una sola suma.
Two deuterium nuclei (mass defect 0.002388 u each) fuse into helium-4 (mass defect 0.030377 u). How much energy is released, in MeV? (931 MeV per u.) · Dos núcleos de deuterio (defecto de masa 0.002388 u cada uno) se fusionan en helio-4 (defecto de masa 0.030377 u). ¿Cuánta energía se libera, en MeV? (931 MeV por u.)
The mass defect increases by 0.030377 - 2(0.002388) = 0.025601 u, and an increase in defect is energy released: 23.8 MeV. Work from masses OR from defects, never a mixture. · El defecto de masa aumenta en 0.030377 - 2(0.002388) = 0.025601 u, y un aumento en el defecto es energía liberada: 23.8 MeV. Calcula a partir de masas O de defectos, nunca una mezcla.
Marks that slip away
- Explaining the energy release needs the curve: the products are higher, so the total binding energy increases and mass is lost.
- For fusion, name what the temperature is for: overcoming electrostatic repulsion so the strong nuclear force can act.
- A chain reaction needs a critical mass, otherwise too many neutrons escape.
- Fission usually absorbs a neutron first and releases more. Say how many if the equation shows them.
- Iron-56 releases energy by neither process. That is a fact worth a mark, and it is the reason stellar fusion stops there.
Puntos que se pierden fácilmente
- Explicar la liberación de energía requiere la curva: los productos están más arriba, por lo que la energía de enlace total aumenta y se pierde masa.
- Para la fusión, nombra para qué sirve la temperatura: vencer la repulsión electrostática para que pueda actuar la fuerza nuclear fuerte.
- Una reacción en cadena necesita una masa crítica, de lo contrario escapan demasiados neutrones.
- La fisión generalmente absorbe un neutrón primero y libera más. Di cuántos si la ecuación los muestra.
- El hierro-56 no libera energía por ninguno de los dos procesos. Ese es un hecho que vale una marca, y es la razón por la que la fusión estelar se detiene allí.
You've got it
- energy is released whenever nuclei move towards the iron peak, because the products are more tightly bound and the total mass falls by $\Delta E/c^2$
- fusion joins two light nuclei and needs millions of kelvin so the nuclei can beat their electrostatic repulsion and let the strong nuclear force act
- fission splits a heavy nucleus after absorbing a neutron, releasing more neutrons that can sustain a chain reaction above the critical mass
- to find the energy: total reactant mass, total product mass, $\Delta m$, then $\Delta E = c^2\Delta m$, or $\Delta m\,(\text{u}) \times 931$ in MeV
Lo has entendido
- se libera energía siempre que los núcleos se mueven hacia el pico de hierro, porque los productos están más fuertemente ligados y la masa total disminuye en $\Delta E/c^2$
- la fusión une dos núcleos ligeros y necesita millones de kelvin para que los núcleos vencan su repulsión electrostática y permitan que actúe la fuerza nuclear fuerte
- la fisión divide un núcleo pesado después de absorber un neutrón, liberando más neutrones que pueden sostener una reacción en cadena por encima de la masa crítica
- para encontrar la energía: masa total de reactivos, masa total de productos, $\Delta m$, luego $\Delta E = c^2\Delta m$, o $\Delta m\,(\text{u}) \times 931$ en MeV