Fisión nuclear para niños
En física nuclear, la fisión (que no debes confundir con la fusión nuclear) es un proceso donde el núcleo de un átomo grande se divide en núcleos más pequeños. Al dividirse, también libera otras partículas como neutrones, fotones (que son partículas de luz, a menudo en forma de rayos gamma), y mucha energía.
Este importante descubrimiento fue realizado por Otto Hahn y Lise Meitner. Aunque Otto Hahn fue el único en recibir el Premio Nobel por ello, Lise Meitner y su sobrino Otto Robert Frisch fueron clave para explicar cómo funcionaba este proceso. Frisch le dio el nombre de "fisión" porque le recordó a cómo se dividen las células vivas.
La fisión nuclear de elementos pesados libera una gran cantidad de energía. Esta energía se manifiesta como radiación electromagnética y como energía cinética (movimiento) de los fragmentos resultantes. Para que la fisión libere energía, los nuevos elementos formados deben tener una energía de enlace total mayor que la del átomo original.
La fisión es un tipo de transmutación nuclear porque los nuevos átomos que se forman son diferentes del átomo original. Generalmente, se producen dos núcleos de tamaños parecidos, pero a veces (muy pocas veces) se forman tres fragmentos.
Además de la fisión que los humanos provocan con neutrones, existe una forma natural de desintegración radiactiva espontánea llamada fisión espontánea. Esta ocurre sin necesidad de un neutrón y se da en isótopos muy pesados. Fue descubierta en 1940 por Fliórov, Pétrzhak y Kurchátov.
La fisión nuclear es la base de la energía nuclear y de ciertas tecnologías. Esto es posible porque algunas sustancias, llamadas combustible nuclear, se fisionan cuando son golpeadas por neutrones y, a su vez, liberan más neutrones al romperse. Esto permite una reacción nuclear en cadena que puede liberar energía de forma controlada en un reactor nuclear o de forma muy rápida y sin control en otros usos.
La energía que se obtiene del combustible nuclear es millones de veces mayor que la de combustibles químicos como la gasolina. Sin embargo, los productos de la fisión son mucho más radiactivos y permanecen así por mucho tiempo, lo que genera un desafío con los residuos radiactivos.
Contenido
¿Cómo funciona la fisión nuclear?
La fisión de núcleos pesados es un proceso que libera mucha energía. Esta energía es mucho mayor que la que se libera en las reacciones químicas normales. La energía se emite como radiación gamma y como energía cinética de los fragmentos, lo que calienta el material cercano.
La fisión puede ser provocada de varias maneras, pero la más común es bombardear el núcleo de un átomo con un neutrón libre. Cuando el neutrón es absorbido, el núcleo se vuelve inestable y se parte en dos o más pedazos. Estos pedazos son los productos de la fisión, que incluyen dos núcleos más pequeños, hasta siete neutrones libres (con un promedio de dos y medio por reacción), y algunos fotones.
Los núcleos que se forman como productos de la fisión pueden ser de diferentes elementos químicos. Aunque el resultado es un poco al azar, lo más común es que se formen núcleos con aproximadamente la mitad de protones y neutrones del átomo original.
Los productos de la fisión suelen ser muy radiactivos y no son isótopos estables. Estos isótopos se desintegran con el tiempo a través de cadenas de desintegración.
Fisión espontánea: ¿Puede ocurrir sola?
La fisión nuclear también puede ocurrir sin que un neutrón la provoque. Este tipo de fisión se llama fisión espontánea y es poco común, excepto en algunos isótopos muy pesados.
Reacciones en cadena: ¿Cómo se mantiene la fisión?
En los dispositivos que usan fisión, casi toda la fisión nuclear ocurre como una "reacción nuclear". Esto significa que una partícula subatómica choca con un núcleo y lo cambia.
La fisión nuclear es especial porque puede amplificarse y controlarse mediante una reacción nuclear en cadena. En esta reacción, los neutrones libres que se liberan en cada evento de fisión pueden provocar más fisiones, que a su vez liberan más neutrones y causan aún más fisiones.
Los elementos químicos isótopos que pueden mantener una reacción de fisión en cadena se llaman combustible nuclear y se dice que son fisionables. Los combustibles nucleares más usados son el 235U y el 239Pu. En un reactor nuclear, la mayoría de las fisiones son provocadas por neutrones que vienen de fisiones anteriores.
La fisión nuclear en los combustibles fisionables ocurre cuando un núcleo fisionable captura un neutrón. Esta energía de captura de neutrón es suficiente para deformar el núcleo hasta que se divide. Los dos fragmentos se separan por la repulsión de sus cargas positivas. Un proceso similar ocurre en isótopos fisionables como el uranio-238, pero estos necesitan neutrones más rápidos para fisionarse.
El modelo de gota líquida del núcleo atómico predice que los productos de fisión serán de igual tamaño. Sin embargo, el modelo de capas nuclear más avanzado explica que un producto de fisión suele ser un poco más pequeño que el otro, lo cual se observa en la realidad.
La fisión más común es la binaria, que produce dos fragmentos. Pero en muy pocas ocasiones (2 a 4 de cada 1000 fisiones), ocurre una fisión ternaria, que produce tres fragmentos cargados. El fragmento más pequeño en estos casos puede ser desde un protón hasta un núcleo de argón. Los fragmentos pequeños más comunes son núcleos de helio-4 y tritones (núcleos de tritio).
¿Cuánta energía libera la fisión?
Para que un núcleo pesado se fisione, necesita una energía inicial de unos 7 a 8 millones de electronvoltios (MeV). Esta energía ayuda a superar la fuerza nuclear que mantiene unido el núcleo y lo deforma hasta que se divide. Una vez que los fragmentos están lo suficientemente separados, la fuerza de repulsión entre sus cargas positivas los empuja aún más.
Alrededor de 6 MeV de esta energía de entrada proviene de la unión de un neutrón extra al núcleo. Sin embargo, en muchos isótopos, esta energía no es suficiente para la fisión. Por ejemplo, el uranio-238 casi no se fisiona con neutrones de baja energía. Si no hay energía adicional, el núcleo solo absorbe el neutrón y no se fisiona.
La energía adicional para iniciar la fisión puede venir de la energía cinética del neutrón entrante. Los neutrones con más de un MeV de energía (llamados neutrones rápidos) pueden fisionar el uranio-238. Sin embargo, en los reactores nucleares, la mayoría de los neutrones no tienen suficiente energía para fisionar el uranio-238 de manera eficiente.
En los elementos pesados como los actínidos, los isótopos con un número impar de neutrones (como el uranio-235) liberan 1 a 2 MeV adicionales de energía al unirse a un neutrón. Esta energía extra se debe a cómo se emparejan los neutrones en el núcleo. Por eso, en estos isótopos, no se necesita energía cinética de los neutrones; la absorción de cualquier neutrón (lento o rápido) es suficiente para la fisión. Los isótopos que pueden fisionarse eficazmente con sus propios neutrones de fisión (y así mantener una reacción en cadena) se llaman fisionables. Ejemplos son el uranio-235 y el plutonio-239.
Producción de energía
Un evento de fisión típico libera unos 200 millones de eV (200 MeV) de energía. Esto es como >2 billones de Kelvin de temperatura. El tipo exacto de isótopo que se fisiona no cambia mucho la cantidad de energía liberada. Esto se puede ver en la curva de energía de enlace, donde la energía de enlace de los productos de fisión es mayor que la del elemento inicial. Así, se liberan aproximadamente 0.9 MeV por cada partícula del elemento original.
En contraste, la mayoría de las reacciones químicas, como quemar carbón, liberan solo unos pocos eVs. Por lo tanto, el combustible nuclear contiene al menos diez millones de veces más energía utilizable por unidad de masa que el combustible químico. La energía de la fisión nuclear se libera como energía cinética de los fragmentos y como radiación electromagnética (rayos gamma). En un reactor nuclear, esta energía se convierte en calor cuando las partículas y los rayos gamma chocan con los átomos del reactor.
Cuando un núcleo de uranio se fisiona en dos fragmentos, aproximadamente el 0.1% de la masa del uranio se convierte en energía de fisión (~200 MeV). Para el uranio-235, unos 169 MeV aparecen como energía cinética de los núcleos hijos, que se separan a un 3% de la velocidad de la luz debido a la repulsión eléctrica. Además, se emiten en promedio 2.5 neutrones, con una energía cinética de unos 2 MeV por neutrón. La reacción de fisión también libera unos 7 MeV en rayos gamma inmediatos.
Esto significa que una explosión de fisión nuclear o un accidente de criticidad libera alrededor del 3.5% de su energía como rayos gamma y menos del 2.5% como neutrones rápidos (un total de ~6% en radiación). El resto es energía cinética de los fragmentos, que se convierte en calor casi de inmediato.
La energía total de la "fisión inmediata" es de unos 181 MeV, que es el 89% de la energía total que se libera con el tiempo. El 11% restante se libera en desintegraciones beta y emisiones gamma retardadas, que ocurren después del evento de fisión. Por ejemplo, en el uranio-235, esta energía retardada se divide en partículas beta, antineutrinos y emisiones gamma retardadas.
En un reactor que ha estado funcionando por un tiempo, los productos de fisión radiactivos se acumulan. Su contribución al calor del reactor es significativa. Por esta razón, cuando un reactor se apaga, el calor de desintegración inicial es del 6.5% de la potencia de fisión en estado estable. Sin embargo, este calor disminuye rápidamente en unas pocas horas.
El resto de la energía retardada (4.3% de la energía total) se emite como antineutrinos, que no son absorbidos por el material del reactor y escapan. La radiación de neutrinos no se clasifica como radiación ionizante porque no se absorbe y, por lo tanto, no produce efectos. Casi toda la radiación restante (el 6.5% de la radiación beta y gamma retardada) se convierte en calor en el núcleo del reactor.
Algunos neutrones liberados en la fisión, llamados neutrones retardados, son muy importantes para el control de los reactores. Estos neutrones se emiten con un retraso de hasta varios minutos, lo que da tiempo para que los operadores controlen la reacción en cadena. Sin ellos, la reacción sería demasiado rápida para ser controlada por humanos.
¿Cómo se induce la fisión?
La fisión nuclear de los átomos fue descubierta en 1938 por los investigadores Otto Hahn y Fritz Strassmann, basándose en el trabajo previo de Hahn con Lise Meitner. Por este descubrimiento, Otto Hahn recibió el Premio Nobel de Química en 1944. El estudio de la fisión nuclear es parte de la química nuclear y la física.
- Aunque la fisión es principalmente la desintegración de material radiactivo, a menudo se inicia de la manera más sencilla: absorbiendo un neutrón libre. Sin embargo, también puede ser provocada lanzando otras partículas a un núcleo fisionable, como protones, otros núcleos o incluso fotones de alta energía (rayos gamma).
- Muy rara vez, un núcleo fisionable puede experimentar fisión espontánea sin que un neutrón lo golpee.
- Cuanto más pesado es un elemento, más fácil es provocar su fisión. La fisión en cualquier elemento más pesado que el hierro produce energía. Lo contrario ocurre en las reacciones de fusión nuclear: la fusión de elementos más ligeros que el hierro produce energía, y la fusión de elementos más pesados que el hierro requiere energía.
- Los elementos más usados para la fisión nuclear son el uranio y el plutonio. El uranio es el elemento natural más pesado. El plutonio se desintegra espontáneamente y tiene una vida limitada. Estos elementos tienen la mejor combinación de abundancia y facilidad para la fisión.
¿Qué es una reacción en cadena?
Una reacción en cadena ocurre así: un evento de fisión libera en promedio 2 o 3 neutrones. Estos neutrones se mueven en direcciones aleatorias y pueden golpear otros núcleos, haciendo que también se fisionen. Como cada fisión libera más neutrones, el proceso se acelera rápidamente, creando una reacción en cadena. Solo los materiales fisibles pueden mantener una reacción en cadena sin una fuente externa de neutrones.
Para que la reacción en cadena de fisión funcione, es importante que los neutrones libres tengan la velocidad adecuada. Si son demasiado rápidos, pueden atravesar el núcleo sin ser absorbidos.
¿Qué son los moderadores?
Moderador nuclear Simplemente juntar mucho uranio en un solo lugar no es suficiente para iniciar una reacción en cadena. Los neutrones que se liberan de un núcleo en fisión son muy rápidos. Esto significa que podrían escapar del material antes de golpear otros núcleos.
Un neutrón lento se llama neutrón térmico, y solo esta velocidad de neutrón puede provocar una reacción de fisión. Así, tenemos diferentes velocidades de neutrones:
- Un neutrón rápido (no térmico) escapará del material sin interactuar.
- Un neutrón de velocidad media será capturado por el núcleo y lo transformará en otro isótopo, pero no causará fisión.
- Un neutrón lento (térmico) inducirá la fisión en un núcleo.
- Un neutrón muy lento será capturado o escapará, pero no causará fisión.
Antes del descubrimiento de la fisión, se sabía que para ralentizar los neutrones se les hacía pasar a través de un material de peso atómico bajo, como un material con hidrógeno. Este proceso de ralentización o moderación es una serie de choques entre las partículas rápidas y las partículas casi en reposo. Cuanto más parecidas sean las masas del neutrón y de la partícula golpeada, mayor es la pérdida de energía cinética del neutrón. Por eso, los elementos ligeros son los más efectivos como moderadores de neutrones.
Algunos físicos en los años 30 pensaron en mezclar uranio con un moderador. Si se mezclaban correctamente, los neutrones rápidos de la fisión podrían ralentizarse al rebotar en el moderador, alcanzando la velocidad correcta para provocar la fisión en otros átomos de uranio. Las características de un buen moderador son: bajo peso atómico y poca o nula tendencia a absorber neutrones. Los posibles moderadores son el hidrógeno, helio, litio, berilio, boro y carbono. El litio y el boro absorben neutrones fácilmente, así que se descartan. El helio es difícil de usar porque es un gas. Las mejores opciones son el hidrógeno (en agua pesada), el berilio y el carbono. Enrico Fermi y Leó Szilárd fueron los primeros en proponer el uso de grafito (una forma de carbono) como moderador para una reacción en cadena. El deuterio es mejor tecnológicamente (usado en agua pesada), pero el grafito es mucho más económico.
¿Qué papel juegan los isótopos?
El uranio natural está compuesto por tres isótopos: 234U (0.006%), 235U (0.7%) y 238U (99.3%). La velocidad de neutrón necesaria para que ocurra una fisión, en lugar de una captura, es diferente para cada isótopo.
El uranio-238 tiende a capturar neutrones de velocidad intermedia, creando 239U, que luego se desintegra sin fisionarse a plutonio-239, el cual sí es fisionable. Debido a su capacidad de producir material fisionable, a este tipo de materiales se les llama "fértiles".
Los neutrones de alta velocidad (como los producidos en una reacción de fusión), pueden fisionar el uranio-238. Sin embargo, los neutrones producidos por la fisión del uranio-235 tienden a rebotar con el uranio-238, lo que los ralentiza. En un reactor nuclear, el 238U tiende a ralentizar los neutrones rápidos del uranio-235 y a capturarlos cuando su velocidad disminuye.
El uranio-235 se fisiona con una gama mucho más amplia de velocidades de neutrones que el 238U. Como el uranio-238 afecta a muchos neutrones sin provocar fisión, su presencia en la mezcla es un obstáculo para promover la fisión. De hecho, la probabilidad de fisión del 235U con neutrones de alta velocidad puede ser tan alta que no se necesite un moderador si se elimina el 238U.
Sin embargo, el 235U está presente en el uranio natural en cantidades muy pequeñas (una parte por cada 140). La pequeña diferencia de masa entre los dos isótopos hace que su separación sea difícil. La posibilidad de separar el 235U fue descubierta rápidamente durante el Proyecto Manhattan, lo cual fue muy importante para su éxito.
Galería de imágenes
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Fisión nuclear de un átomo de uranio-235.
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Rendimientos de producto de fisión en masa para la fisión de neutrones térmicos de U-235, Pu-239, una combinación de los dos típicos de los reactores de energía nuclear actuales, y U-233 utilizado en el ciclo del torio.
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Animación de una explosión de Coulomb en el caso de un grupo de núcleos cargados positivamente, similar a un grupo de fragmentos de fisión.
