Destrozando núcleos: La fisión

En esta segunda entrada nuclear vamos a intentar explicar en términos simples el proceso de fisión nuclear.  Groso modo esta reacción libera energía gracias a que un núcleo pesado se divide en núcleos de menor masa. Ya vimos en la entrada Entendiendo el núcleo atómico que existen núcleos con tendencia a la fisión y otros con tendencia a la fusión y que dicho comportamiento se entendía sobre la base de la energía de enlace por nucleón.

En esta ocasión, centrándonos en la fisión lo que queremos es describir este proceso, entender qué es una reacción en cadena y cómo podemos controlarla.

Todo este material se puede encontrar en cualquier libro de física nuclear:

Libros de física nuclear

El que escribió esta entrada estudió física nuclear con el libro de Krane:

Introductory Nuclear Physics K. S. Krane

Y en google se pueden encontrar muchas referencias a física nuclear:

Lecciones de física nuclear en google

Estamos seguros que alguien en el mundo tiene un blog explicando exáctamente lo mismo con mayor claridad y profundidad, pedimos disculpas por no referenciarlo aquí debido a nuestro desconocimiento del total de la blogosfera que ha tratado el tema a nivel mundial.

La fisión

 Como vimos en la entrada Entendiendo el núcleo atómico los núcleos a la derecha del Hierro (Fe) tienen tendencia a fisionarse para aumentar su estabilidad (aumentar su energía de enlace por nucleón).

La reacción típica de fisión es la que se da con el Uranio (Z=92, A=235) . Recordemos que Z nos dice el número de protones del núcleo, el número atómico, y A nos dice el número total de protones y neutrones, nucleones genéricamente, que contiene el núcleo en cuestión. Dicha reacción se expresa como:

Esto quiere decir:

1.-  Tenemos una muestra de Uranio de número másico 235 . Este núcleo tiene 92 protones y 235-92 neutrones.

2.- Lo bombardeamos con neutrones .

3.- Un núcleo dado de Uranio 235 absorbe un neutrón: .  Esto hace que el Uranio aumente en una unidad su número másico: por lo tanto se inestabiliza.

3.- Al final el núcleo se rompe en un nucleo de Bario y un núcleo de Kriptón además de salir tres neutrones en el proceso:

Este proceso se puede ver en la anterior gráfica como sigue:

Como se ve, los resultados de la fisión son más cercanos al hierro, por tanto su energía de enlace por nucleón es mayor y en definitiva son más estables.

Reacción en cadena

En este proceso ocurre lo siguiente, un neutrón colisiona con un núcleo de Uranio 235 y este se excita y baja su energía fragmentandose  en un nucleo de Kriptón, de Bario y tres neutrones:

Aparte también hay otros tipos de emisiones (radiación gamma, alfa o beta debida a la radiactividad de los núcleos resultantes en la reacción).  A esto lo llamaremos radioactividad en general y lo consideraremos desechos de la fisión.

Lo importante es que uno tiene una muestra de Uranio 235, lo bombardeamos con neutrones y se inicia la fisión.  Pero en cada reacción se liberan tres neutrones que tienen la suficiente energía cinética como para provocar la fisión en otros tres núcleos de Uranio.  Es muy fácil entender que una vez iniciado el proceso continuará hasta que no quede material fisionable alguno en la muestra.  Al principio tendremos como resultado 3 neutrones, luego tendremos 9, 27, 81, 243, y así sucesivamente.  Esto hace que cada vez se den más reacciones nucleares de fisión y provoca la reacción en cadena:

Así que el motivo por el que se produce una reacción en cadena es que en cada fisión se producen tres neutrones que pueden provocar tres nuevas reacciones y por tanto tenemos que la reacción una vez iniciada no parará hasta acabarse todo el material fisionable.  Pero por otro lado hay un efecto añadido, los resultados de la fisión tienen una energía cinética alta, lo que se traduce en una temperatura alta. Así pues conforme se desarrolla la reacción en cadena el material se calienta sin dale tiempo a disipar calor esto provoca que se alcance la temperatura de fusión (paso de sólido a líquido) y luego el material se vaporice.  Esta reacción está contenida en un recipiente con lo que si el material pasa a estado gaseoso su presión aumentará mucho pudiendo provocar la explosión del mismo dejando libres todos los desechos de la reacción y por tanto liberando radioactividad.

Para hacernos una idea en un kilogramo de Uranio en fisión se liberaría tanta energía como la que proporcionarían 3000 kilogramos de carbón de la mejor calidad en combustión y en un tiempo mucho menor.

Controlando una reacción en cadena

El secreto para controlar una reacción en cadena es tener bajo control el número de neutrones que pueden producir la reacción de fisión. Hemos de ser capaces de capturar dos de los tres neutrones que aparecen en dichas reacciones.

Esto es posible gracias a que hay elementos que absorben neutrones de forma muy eficiente sin que produzcan reacciones nucleares que emitan tales partículas como contrapartida.  El material típico es el Boro (B) de número másico 10 que tiene la siguiente reacción con los neutrones:

Es decir, que los productos de la reacción son Litio y Helio que no son materiales radiactivos y no hay producción neta de neutrones.

Por lo tanto, si en el receptáculo donde tenemos la reacción de fisión el Uranio ponemos Boro conseguimos el efecto de controlar la cantidad de neutrones en juego.  En un reactor nuclear tenemos barras de Uranio donde se produce la fisión y si metemos barras de Boro controlamos la cantidad de neutrones variando la tasa de fisión en el reactor:

Otro aspecto importante es controlar la temperatura de la muestra.  En ningún caso es deseable que el Uranio llegue a su temperatura de fusión (lo que se llama fusión del núcleo) ya que empezaría a fundirse y luego a pasar a vapor incrementando la presión en el contenedor de la reacción y pudiendo provocar una explosión.

El problema aquí es que los neutrones que salen de una reacción de fisión tienen una energía cinética muy alta. Esto es malo por dos motivos, eso hace que se incremente la temperatura y por otro lado el rendimiento de la reacción no es bueno.  Para que un núcleo de Uranio-235 se fisione ha de absorber neutrones de energía cinética moderada.  Así que lo que se hace es introducir las barras de Uranio y las controladoras en un medio que «frene» los neutrones, a este medio se llama moderador. Esto se consigue con agua o con grafito. Cuando los neutrones entran en el moderador van chocando con sus átomos o moléculas perdiendo energía cinética en cada colisión, de forma que al encontrarse con otro núcleo de Uranio su velocidad ha disminuido de forma que pueda producir la reacción de fisión de forma óptima.

La imagen completa

Para tener una fisión controlada necesitamos:

–  El material fisionable (que produce tres neutrones por cada reacción de fisión en su interior)

– El material moderador que hace que los neutrones tengan velocidades moderadas con lo que se controla la eficiencia de la reacción y su temperatura.

– El material de control que absorbe neutrones de forma que la reacción en cadena no se descontrole y provoque la explosión del dispositivo donde tenemos el material fisionable.

Nos seguimos leyendo…