Los fundamentos de la fisión nuclear

  1. Educación
  2. Ciencia
  3. Química
  4. Los fundamentos de la fisión nuclear

La fisión nuclear ocurre cuando un isótopo más grande se rompe en dos o más elementos. Los científicos generalmente realizan esta tarea (para algunas reacciones nucleares controladas) bombardeando un isótopo grande con otro más pequeño, comúnmente un neutrón. La colisión resulta en fisión nuclear.

La fisión nuclear del uranio 235 se muestra en la siguiente ecuación:

Las reacciones de este tipo también liberan mucha energía. ¿De dónde viene la energía? Si haces una medición muy precisa de las masas de todos los átomos y partículas subatómicas con las que empiezas y de todos los átomos y partículas subatómicas con las que terminas, y luego comparas los dos, te das cuenta de que hay una masa”faltante”.

La materia desaparece durante la reacción nuclear. Esta pérdida de materia se denomina defecto de masa. La materia que falta se convierte en energía. En realidad se puede calcular la cantidad de energía producida durante una reacción nuclear con una ecuación bastante simple desarrollada por Einstein:

En esta ecuación, E es la cantidad de energía producida, m es la masa “faltante”, o el defecto de la masa, y c es la velocidad de la luz, que es un número bastante grande. La velocidad de la luz es cuadrada, haciendo que esa parte de la ecuación sea un número muy grande que, aun cuando se multiplique por una pequeña cantidad de masa, produce una gran cantidad de energía.

Reacciones en cadena y masa crítica

En la ecuación para la fisión del U-235, observe que se utilizó un neutrón, pero se produjeron tres. Estos tres neutrones, si se encuentran con otros átomos U-235, pueden iniciar otras fisuras, produciendo aún más neutrones. En términos de química nuclear, es una cascada continua de fisuras nucleares llamada reacción en cadena. La reacción en cadena del U-235 se muestra en la siguiente figura.

Esta reacción en cadena depende de la liberación de más neutrones de los que se utilizaron durante la reacción nuclear. Si se escribiera la ecuación para la fisión nuclear del U-238, el isótopo más abundante de uranio, se usaría un neutrón y sólo se recuperaría uno. No puedes tener una reacción en cadena con el U-238.

Pero los isótopos que producen un exceso de neutrones en su fisión mantienen una reacción en cadena. Se dice que este tipo de isótopo es fisionable, y sólo hay dos isótopos fisionables principales utilizados durante las reacciones nucleares: el uranio-235 y el plutonio-239.

La cantidad mínima de material fisionable necesaria para garantizar que se produzca una reacción en cadena se denomina masa crítica. Cualquier cosa menor a esta cantidad se llama subcrítica.

La reacción en cadena de las

bombas atómicas

de uranio-235

.

Debido a la enorme cantidad de energía liberada en una reacción de fisión en cadena, las implicaciones militares de las reacciones nucleares se hicieron realidad inmediatamente. La primera bomba atómica fue lanzada sobre Hiroshima, Japón, el 6 de agosto de 1945.

En una bomba atómica, dos piezas de un isótopo fisionable se mantienen separadas. Cada pieza, por sí misma, es subcrítica. Cuando llega el momento de que la bomba explote, los explosivos convencionales obligan a las dos piezas a unirse para formar una masa crítica. La reacción en cadena es incontrolada, liberando una tremenda cantidad de energía casi instantáneamente.

Centrales nucleares

El secreto para controlar una reacción en cadena es controlar los neutrones. Si los neutrones pueden ser controlados, entonces la energía puede ser liberada de forma controlada. Eso es lo que los científicos han hecho con las centrales nucleares.

En muchos aspectos, una planta de energía nuclear es similar a una planta de energía convencional de combustibles fósiles. En este tipo de plantas se quema un combustible fósil (carbón, petróleo, gas natural) y el calor se utiliza para hervir el agua, que a su vez se utiliza para producir vapor. El vapor se utiliza para hacer girar una turbina que está conectada a un generador que produce electricidad.

La gran diferencia entre una planta de energía convencional y una planta de energía nuclear es que la planta de energía nuclear produce calor a través de reacciones en cadena de fisión nuclear.

Reactores reproductores: Hacer más cosas nucleares

Además del isótopo U-235 de uranio, el otro isótopo fisionable de uso común, el plutonio-239 (Pu-239), es muy raro en la naturaleza. Pero hay una manera de hacer Pu-239 a partir de U-238 en un reactor de fisión especial llamado reactor reproductor.

El uranio-238 es bombardeado primero con un neutrón para producir el U-239, que decae a Pu-239. El proceso se muestra en la siguiente figura.

El proceso del reactor Breeder.

Los reactores reproductores pueden prolongar el suministro de combustibles fisionables durante muchos, muchos años, y actualmente se están utilizando en Francia. Pero Estados Unidos está avanzando lentamente en la construcción de reactores reproductores debido a varios problemas asociados con ellos:

  • Primero, son extremadamente caros de construir.
  • En segundo lugar, producen grandes cantidades de residuos nucleares.
  • Y, finalmente, el plutonio que se produce es mucho más peligroso de manejar que el uranio y puede ser utilizado fácilmente en una bomba atómica.
  • Add Your Comment