Fisión nuclear

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Fisión nuclear de un átomo de uranio-235.

En química y física, fisión es una
reacción nuclear, lo
que significa que tiene lugar en el núcleo del átomo. La fisión
ocurre cuando un núcleo pesado se divide en dos o más núcleos pequeños, además
de algunos subproductos. Estos incluyen neutrones libres, fotones (generalmente rayos
gamma) y otros fragmentos del núcleo como partículas alfa
(núcleos de helio)
y beta (electrones y positrones de
alta energía).

La fisión de núcleos pesados es un proceso exotérmico
lo que supone que se liberan cantidades sustanciales de energía. El proceso genera
mucha más energía que la liberada en las reacciones
químicas; la energía se emite, tanto en forma de radiación gamma como de
energía cinética
de los fragmentos de la fisión, que calentarán a la materia que se encuentre
alrededor del espacio donde se produzca la fisión.

La fisión se puede inducir por varios métodos, incluyendo el bombardeo del
núcleo de un átomo fisionable con otra partícula de la energía correcta; la otra
partícula es generalmente un neutrón libre. Este neutrón libre es absorbido por
el núcleo, haciéndolo inestable (como una pirámide de naranjas en el
supermercado llega a ser inestable si alguien lanza otra naranja en ella a la
velocidad correcta). El núcleo inestable entonces se partirá en dos o más
pedazos: los productos de la fisión que incluyen dos núcleos más pequeños, hasta
siete neutrones libres (con una media de dos y medio por reacción), y algunos
fotones.

Los núcleos atómicos lanzados como productos de la fisión pueden ser varios
elementos
químicos. Los elementos que se producen son resultado del azar, pero
estadísticamente el resultado más probable es encontrar núcleos con la mitad de
protones y neutrones del
átomo fisionado original.

Los productos de la fisión son generalmente altamente radiactivos: no son isótopos
estables; estos isótopos entonces decaen, mediante cadenas de
desintegración.

Contenido

1 Fisión fría y rotura de
pares de nucleones

2 Induciendo la
Fisión

3 Reacción en
cadena

4 Masa crítica

5 Moderadores

6 Efectos de los
isótopos

7 Véase también

8 Enlaces externos

[editar]
Fisión fría y rotura de
pares de nucleones

La mayor parte de las investigaciones sobre fisión nuclear se basa en la
distribución de masa y energía cinética de los fragmentos de fisión. Sin
embargo, esta distribución es perturbada por la emisión de neutrones por parte
de los fragmentos antes de llegar a los detectores.

Aunque con muy baja probabilidad, en los experimentos se ha detectado eventos
de fisión fría, es decir fragmentos con tan baja energía de excitación que no
emiten neutrones. Sin embargo, aún en esos casos, se observa la rotura de pares
de nucleones, la que se manifiesta como igual probabilidad de obtener fragmentos
con número par o impar de nucleones. Los resultados de
estos experimentos permiten comprender mejor la dinámica de la fisión nuclear
hasta el punto de escisión, es decir, antes de que se desvanezca la fuerza
nuclear entre los fragmentos.

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Induciendo la
Fisión

La fisión nuclear de los átomos fue descubierta en 1938 por los investigadores
alemanes Otto
Hahn y Fritz
Strassmann a partir del trabajo desarrollado por el propio Hahn junto a Lise
Meitner durante años anteriores. Por este descubrimiento Otto Hahn
recibió en 1944 el Premio
Nobel de química, pero el trabajo de
Meitner quedó sin reconocimiento. El estudio de la fisión nuclear se considera
parte de los campos de la química y la física.

Aunque la fisión es prácticamente la desintegración de materia
radioactiva, comenzada a menudo de la manera más fácil posible (inducido), que
es la absorción de un neutrón libre, puede también ser inducida lanzando otras
cosas en un núcleo fisionable. Estas otras cosas pueden incluir protones,
otros núcleos, o aún los fotones de gran energía en cantidades muy altas
(porciones de rayos gammas).

Muy rara vez, un núcleo fisionable experimentará la fisión nuclear
espontánea sin un neutrón entrante.

Inducir la fisión es más fácil en los elementos cuanto más pesado sean. La
fisión en cualquier elemento más pesado que el hierro produce energía, y la
fisión en cualquier elemento más liviano que el hierro requiere energía. Lo
contrario también es verdad en las reacciones de fusión nuclear - la
fusión de los elementos más livianos que el hierro produce energía y la fusión
de los elementos más pesados que el hierro requiere energía.

Los elementos más frecuentemente usados para producir la fisión nuclear
son el uranio y
el plutonio. El uranio es el
elemento natural más pesado; el plutonio experimenta desintegraciones
espontáneas y tiene un período limitado. Así pues, aunque otros elementos
pueden ser utilizados, estos tienen la mejor combinación de abundancia y
facilidad de fisión.

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Reacción en
cadena

Artículo principal: Reacción en
cadena

Una reacción en cadena ocurre como sigue: un acontecimiento de la fisión
empieza lanzando 2 o más neutrones como subproductos. Estos neutrones se escapan
en direcciones al azar y golpean otros núcleos, incitando a estos núcleos para
experimentar la fisión. Puesto que cada acontecimiento de la fisión lanza 2 o
más neutrones, y estos neutrones inducen otras fisiones, el proceso se construye
rápidamente y causa la reacción en cadena. El número de los neutrones que se
escapan de una cantidad de uranio depende de su área superficial. Solamente los
materiales fisibles son capaces de sostener
una reacción en cadena sin una fuente externa de neutrones.

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Masa crítica

Artículo principal: Masa crítica

La masa crítica es la mínima cantidad de material requerida para que el
material experimente una reacción nuclear en cadena. La masa crítica de un
elemento fisionable depende de su densidad y de su forma física
(barra larga, cubo, esfera, etc.). Puesto que los neutrones de la fisión se
emiten en direcciones al azar, para maximizar las ocasiones de una reacción en
cadena, los neutrones deberán viajar tan lejos como sea posible y de esa forma
maximizar las posibilidades de que cada neutrón choque con otro núcleo. Así, una
esfera es la mejor forma y la peor es probablemente una hoja aplanada, puesto
que la mayoría de los neutrones volarían de la superficie de la hoja y no
chocarían con otros núcleos.

También es importante la densidad del material. Si el material es gaseoso, es
poco probable que los neutrones choquen con otro núcleo porque hay demasiado
espacio vacío entre los átomos y un neutrón volaría probablemente entre ellos
sin golpear nada. Si el material se pone bajo alta presión, los átomos estarán
mucho más cercanos y la probabilidad de una reacción en cadena es mucho más
alta. La alta compresión puede ser alcanzada poniendo el material en el centro
de una implosión, o lanzando un
pedazo de ella contra otro pedazo de ella muy fuertemente (con una carga
explosiva, por ejemplo). Una masa crítica del material que ha comenzado una
reacción en cadena se dice que se convierte en supercrítica.

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Moderadores

Artículo principal: Moderador
nuclear

Únicamente con juntar mucho uranio en un sólo lugar no es suficiente como
para comenzar una reacción en cadena. Los neutrones son emitidos por un núcleo
en fisión a una velocidad muy elevada. Esto significa que los neutrones
escaparán del núcleo antes de que tengan una oportunidad de golpear cualquier
otro núcleo (debido a un efecto relativista).

Un neutrón de movimiento lento se llama neutrón
térmico y solamente esta velocidad del neutrón puede inducir una reacción de
fisión. Así pues, tenemos cuatro velocidades de neutrones:

Un neutrón (no-térmico) rápidamente se escapará del material sin la
interacción;

Un neutrón de velocidad mediana será capturado por el núcleo y cambiará el
material en un isótopo (pero no induciría la
fisión).

Un neutrón de movimiento lento (térmico) inducirá a un núcleo a que
experimente la fisión.

Un neutrón móvil realmente lento será capturado o escapará, pero no
causará fisión.

Algunos años antes del descubrimiento de la fisión, la manera acostumbrada de
retrasar los neutrones era hacerlos pasar a través de un material de peso
atómico bajo, tal como un material hidrogenoso. El proceso de retraso o de
moderación es simplemente una de las colisiones elásticas entre las partículas
de alta velocidad y las partículas prácticamente en reposo. Cuanto más parecidas
sean las masas del neutrón y de la partícula pulsada, mayor es la pérdida de
energía cinética por el neutrón. Por lo tanto los elementos ligeros son los más
eficaces como moderadores del neutrón.

A unos cuantos físicos en los años 30, se les ocurrió la posibilidad de
mezclar el uranio con un moderador: si fuesen mezclados correctamente, los
neutrones de alta velocidad de la fisión podrían ser retrasados al rebotar de un
moderador, con la velocidad correcta, para inducir la fisión en otros átomos de
uranio. Las características de un buen moderador son: peso atómico bajo y baja o
nula tendencia a absorber los neutrones. Los moderadores posibles son entonces
el hidrógeno, helio, litio, berilio, boro y carbono. El litio y el boro
absorben los neutrones fácilmente, así que se excluyen. El helio es difícil de
utilizar porque es un gas y no forma ningún compuesto. La opción de moderadores
estaría entonces entre el hidrógeno, deuterio, el berilio y el
carbono. Fueron Enrico Fermi y Leó
Szilárd quienes propusieron primero el uso de grafito (una forma de carbono)
como moderador para una reacción en cadena. El deuterio es el mejor
tecnológicamente (introducido en el agua pesada), sin embargo el
grafito es mucho más económico.

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Efectos de los
isótopos

El uranio natural se compone de tres isótopos: U-234
(0,006%), U-235
(0,7%), y U-238
(99,3%). La velocidad requerida para un acontecimiento de fisión contra
acontecimiento de la captura de la no-fisión es diferente para cada isótopo.

El Uranio 238 tiende a capturar neutrones de velocidad intermedia creando U-239,
que decae sin fisión a Plutonio-239, que si es fisil.
Debido a su capacidad de producir material fisil a este tipo de materiales se
les suele llamar fértiles.

Los neutrones de alta velocidad como los producidos en una reacción de fusión
Tritio-Deuterio, a
52.000 km/s pueden fisionar el Uranio 238. Sin embargo los producidos por la
fisión del Uranio 235, de hasta 28.000 km/s tienden a rebotar inelásticamete con
él, lo cual los desacelera. En un reactor nuclear, el U-238 tiende pues tanto a
desacelerar los neutrones de alta velocidad provenientes de la fisión del Uranio
235 como a capturarlos (con la consiguiente transmutación a Plutonio-239) cuando
su velocidad se modera.

El Uranio-235 fisiona con una gama mucho más amplia de velocidades de
neutrones que el U-238. Puesto que el U-238 afecta a muchos neutrones sin
inducir la fisión, tenerlo en la mezcla es malo para promover la fisión. De
hecho, la probabilidad de la fisión del U-235 con neutrones de velocidad alta
puede ser lo suficientemente elevada como para hacer que el uso de un moderador
sea innecesario una vez que se haya quitado el U-238.

Sin embargo, el U-235 está presente en el uranio natural en cantidades muy
reducidas (una parte por cada 140). La diferencia relativamente pequeña en masa
entre los dos isótopos hace, además, que su separación sea difícil. La
posibilidad de separar U-235 fue descubierta con bastante rapidez en el proyecto Manhattan,
lo que tuvo gran importancia para su éxito.

[editar]
Véase también

Física nuclear

Fusión nuclear

[editar]
Enlaces externos

Wikilibros

Wikilibros alberga un libro
o manual sobre Fisión nuclear.

Energía nuclear: el poder del átomo

El átomo y sus reacciones

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Categoría:
Física
nuclear

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