Fisión Nuclear: Definición, tipos y ejemplos
¿Qué es la fisión nuclear?
La fisión nuclear ocurre cuando se divide el núcleo de un átomo. El resultado de esta división normalmente son dos núcleos más pequeños (de diferentes elementos), neutrones libres y una gran cantidad de energía. La fisión del uranio-234, por ejemplo, puede producir isótopos de bario-141 y criptón-92, aunque se pueden producir isótopos diferentes.
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La fisión nuclear se induce cuando un elemento pesado es bombardeado con neutrones, donde la absorción energética del neutrón en el núcleo hace que se divida en dos. Ciertos isótopos de elementos pesados pueden sufrir fisión espontánea, pero esto es poco común.
Historia de la fisión nuclear y las reacciones nucleares
1897: El electrón (partícula beta) es descubierto por JJ Thompson, quien se dio cuenta de que la carga eléctrica de los rayos catódicos era transportada por una partícula con masa cuando lograba desviar su trayectoria con un campo eléctrico.
1900: El químico francés Paul Villard descubre los rayos gamma mientras observaba el radio.
1911: Ernest Rutherford determina la estructura interna del átomo dirigiendo un haz de partículas alfa a una lámina de oro.
1919: Ernest Rutherford publica el descubrimiento del protón.
1932: James Chadwick descubre el neutrón tras bombardear elementos ligeros con partículas alfa y observar la radiación posterior que emitían.
1934: Enrico Fermi dispara neutrones contra elementos más pesados y descubre la radiactividad inducida por neutrones. Dispara neutrones al uranio y sospecha que se han creado los primeros elementos más pesados que el uranio. Fermi también descubre que los neutrones “ralentizados” por una barrera de cera de parafina son más eficaces para crear reacciones nucleares.
1938: Otto Hahn, Lise Meitner, Otto Frisch y Fritz Strassmann descubren que un neutrón puede dividir un núcleo de uranio (y que Fermi los había estado partiendo previamente). A este proceso lo llaman fisión.
1942: Dirigida por Enrico Fermi, se crea la primera reacción en cadena de fisión autosostenible con Chicago Pile-1, una pared de uranio y grafito de 20 pies de altura, debajo de Stagg Field en la Universidad de Chicago.
1942: Comienza el Proyecto Manhattan, el esfuerzo estadounidense para crear un arma atómica.
1945 (16 de julio): Se inicia la primera explosión atómica en el sitio Trinity en el campo de bombardeo de Alamogordo en Nuevo México.
Fundamentos de la fisión nuclear
El núcleo de un átomo está formado por protones y neutrones unidos por la fuerza nuclear fuerte. La suma de las masas de esos protones y neutrones, sin embargo, será mayor que la masa de esas mismas partículas unidas en el núcleo. Considere un átomo de helio:
{eq}1\:u = 1,6606\cdot10^{-27}\:kg {/eq}
Masa de neutrones = {eq}1.008665\:u {/eq}
Masa del protón = {eq}1,00728\:u {/eq}
Masa del electrón = {eq}.00054858\:u {/eq}
Un átomo de helio tiene 2 protones, 2 neutrones y 2 electrones, por lo que su masa debería ser 4,032987 u. Sin embargo, la masa de un átomo de helio es menor que eso.
Masa de partículas: 4.032987 u
Masa del átomo de helio: 4.002603
Diferencia:.030384 u
Esta diferencia se llama defecto de masa.
El defecto de masa se puede explicar utilizando la ecuación masa/energía de Einstein:
$$E=mc^{2} $$
La masa que se pierde cuando las partículas libres se unen para formar un núcleo se convierte en energía, concretamente en lo que se llama energía de enlace. La energía de enlace es la cantidad de energía necesaria para romper un núcleo en nucleones libres. Las energías de las partículas subatómicas se miden utilizando unidades de megaelectrón voltios (MeV).
$$1\:MeV=1.602\cdot10^{-13}\:J $$
Una masa atómica de 1 u equivale a 931,5 MeV de energía.
Entonces, en el caso del átomo de helio:
$$E_b=.030384\:u\cdot931.5\:{MeV/u}\approx283\:MeV $$
Diferentes núcleos tienen diferentes energías de enlace, pero una medida más útil es la energía de enlace por nucleón, que es una medida directa de la estabilidad atómica. Cuando un átomo sufre fisión, un núcleo grande se dividirá en núcleos más pequeños que tienen mayores energías de unión por nucleón. La energía de enlace por nucleón se puede encontrar dividiendo la energía de enlace por el número de partículas en el núcleo.
Finalmente, la energía de enlace se puede medir en julios cuando se trabaja con cantidades mayores, de modo que la energía de enlace se expresa como “julios de energía necesarios para romper un mol de núcleos”. Sin embargo, a menudo se hace referencia a las energías de enlace en MeV debido a que la cantidad de energía es muy enorme. ¡Un mol de átomos de helio tiene una energía de enlace de más de 27 billones de julios!
Gráfico de energía de unión por nucleón con números de masa
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Los núcleos atómicos alcanzan su mayor energía de enlace por nucleón cerca del elemento Hierro y, por tanto, estos elementos tienen la mayor estabilidad. Más allá de este punto, la energía de enlace por nucleón de elementos cada vez más pesados comienza a disminuir, lo que finalmente permite que la fisión produzca energía (la energía de enlace total disminuye, pero la energía de enlace por nucleón aumenta).
Tipos de fuerzas fundamentales en el núcleo
Dentro del núcleo actúan dos fuerzas principales: la fuerza electromagnética y la fuerza nuclear fuerte. La fuerza fuerte une partículas a distancias subatómicas, manteniendo unidos a neutrones y protones. Los protones, sin embargo, experimentarán la fuerza de repulsión de Coulomb (electromagnética), ya que todos están cargados positivamente. La fuerza fuerte es la más poderosa de las dos fuerzas en el núcleo, y los neutrones con carga neutra atraen a los protones y encajan entre ellos, por lo que se mitiga su repulsión.
Sin embargo, el alcance de la fuerza fuerte es muy corto. Pierde fuerza rápidamente a una distancia un poco mayor que el diámetro de un protón. Cuando un neutrón libre impacta un núcleo de uranio y es absorbido, la energía liberada suele ser lo suficientemente fuerte como para deformar el núcleo. Una vez que la forma del núcleo ha cambiado, se podría poner suficiente distancia entre los protones para que su repulsión electromagnética comience a dominar la fuerza fuerte y, si esto continúa, el núcleo se divide. Meitner y Hahn, mencionados anteriormente, imaginaron un núcleo esférico que se deformaba hasta adoptar la forma de una pelota de fútbol y luego se partía por la mitad, como el agua, en dos gotas.
Tipos de fisión nuclear
Fisión inducida
La fisión se puede inducir bombardeando un elemento pesado con neutrones. Por supuesto, diferentes elementos e isótopos responden de manera diferente. Algunos, como el uranio-238, sufren fácilmente fisión nuclear, mientras que otros, como el uranio-235, sólo reaccionarán ante neutrones lentos. Algunos, como el torio-232, eventualmente se desintegran en isótopos que sufrirán fisión.
Fisión espontánea
Ciertos elementos pesados pueden fisionarse espontáneamente, aunque esto es raro. La mayoría de ellos se descomponen con bastante lentitud y tienen una vida media de semanas o años. El plutonio-238, por ejemplo, tiene una vida media de 87,7 años.
La relación de neutrones a protones (n/p)
Como se mencionó, los neutrones desempeñan un papel estabilizador en el núcleo de un átomo, uniéndose a los protones y dejando espacio entre ellos. Para elementos más ligeros, los neutrones y los protones (n/p) existen en aproximadamente una proporción de 1:1. A medida que aumentan de peso, esa proporción comienza a cambiar. Los átomos con alrededor de 40 protones son más estables con una relación n/p de 1,3:1, e incluso los elementos más pesados son más estables con una relación n/p de 1,5:1.
Energía liberada en un proceso de fisión
En la fisión nuclear se libera energía cuando los núcleos grandes se fragmentan en formas más estables. En el caso del uranio, podemos ver que tiene una energía de enlace de aproximadamente 7,8 MeV por nucleón, pero cuando se desintegra, produce elementos que tienen energías de enlace más altas, hasta 8,8 MeV. De esta manera, podemos ver que durante la fusión se libera aproximadamente 1 MeV por nucleón. Dado que todos los isótopos del uranio están en el rango de 235, la fisión del uranio produce alrededor de 235 MeV por átomo.
Entonces, la energía de fisión de un gramo de uranio se puede calcular utilizando varias conversiones conocidas.
$$\frac{235\:MeV/átomo\cdot1.602\cdot10^{-13}\:J/MeV\cdot6.022\cdot10^{23}\:átomo/mol}{235\:g/mol \cdot1000\:J/kJ} = 96472440\:kJ/g $$
Por el contrario, el carbón se quema en una reacción química que produce 24 kJ/g.
Ninguno de estos valores es necesariamente exacto para el mundo real. El uranio debe ser refinado a partir del mineral, debe ser transportado y el combustible de los reactores nucleares sólo contiene una pequeña proporción de uranio. También es necesario extraer y transportar carbón, y ambos combustibles están sujetos a pérdidas de eficiencia. Todos estos factores cambian el rendimiento neto de energía, pero este cálculo muestra la gran diferencia en los potenciales de las diferentes fuentes.
Reacción en cadena nuclear
Uno de los productos de una reacción de fisión son los neutrones libres. Si hay otros núcleos grandes cerca, es posible que los neutrones de la fisión original impacten sobre ellos y provoquen que también se fisionen. A partir de ahí, se obtienen aún más neutrones libres y el número de núcleos sometidos a fisión puede aumentar exponencialmente. Esta serie de eventos se denomina colectivamente reacción en cadena. Cuando hay suficiente material para que la reacción sea autosostenida, se describe que tiene masa crítica.
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Para que se produzca una masa crítica, cada neutrón (en promedio) debe provocar la liberación de al menos un neutrón. Si este promedio es mayor que uno, la reacción crece, y si es menor que uno la reacción no se sostendrá. Para que sea útil en la generación de energía (y por seguridad), se debe controlar una reacción en cadena. Se pueden insertar materiales que absorben neutrones (boro, hafnio, indio y otros) dentro de la masa crítica para mantener la tasa de crecimiento de la reacción en un nivel deseado.
No todos los isótopos pesados pueden sufrir una reacción en cadena, aunque puedan sufrir fisión.
- Los isótopos fisibles pueden fisionarse utilizando neutrones lentos (U-235)
- Los isótopos fisionables se fisionan con neutrones rápidos (U-238)
Los isótopos fisibles suelen cumplir la regla de fisión:
$$2\cdot ZN=43\pm 2 $$
Dónde
Z = número de protones
N = número de neutrones
Los isótopos fisibles son más adecuados para sostener una reacción en cadena, por la sencilla razón de que pueden sufrir fisión a partir de los neutrones de menor energía que producen. Los isótopos fisionables no pueden fisionarse con los neutrones que producen, por lo que se extinguen.
Reactores nucleares y centrales eléctricas
La fisión nuclear se puede utilizar para generar electricidad. Las reacciones de fisión generan grandes cantidades de energía, que pueden usarse para calentar agua y convertirla en vapor y alimentar una turbina. El uranio-235 es la principal fuente de combustible para los reactores nucleares. Es fisible y se produce de forma natural, por lo que puede adquirirse y refinarse para su uso.
El U-235 como isótopo representa el 0,7% del uranio natural. Una vez extraído, se mezcla con oxígeno para formar el compuesto {eq}U_3O_8 {/eq}. A partir de ahí, se utilizan centrífugas para aumentar la concentración de U-235 en la muestra al 3-5%. Luego, el compuesto se prensa en bolitas, que se insertan en barras de combustible.
Las barras de combustible están hechas principalmente de U-238. Luego se inicia y controla una reacción en cadena utilizando las barras de combustible, la energía generada se usa para calentar agua y el vapor producido se usa para alimentar una turbina que genera electricidad. Durante este proceso, el U-238 absorbe algunos neutrones y se transforma en plutonio-239, que luego se desintegra en U-235, que luego puede contribuir a la generación de energía.
Resumen de la lección
La fisión nuclear ocurre cuando un átomo con un núcleo grande se divide después de entrar en contacto con un neutrón. Los productos de la fisión nuclear son:
- Núcleos más pequeños de diferentes elementos.
- rayos gamma (energía)
- neutrones libres
La estructura interna del átomo fue determinada por una serie de investigadores de todo el mundo a finales del siglo XIX y principios del XX, lo que llevó al descubrimiento de la fisión nuclear en la década de 1930. En la década de 1940, esta reacción nuclear se aprovechó para crear tanto centrales nucleares como armas nucleares.
La energía de enlace en un núcleo es la cantidad de energía necesaria para dividir un núcleo en sus nucleones. Se crea a partir del defecto de masa que se produce cuando las partículas subatómicas se combinan (parte de su masa se convierte directamente en energía de enlace). Durante la fisión nuclear, un núcleo grande se divide en dos núcleos más pequeños que tienen mayores energías de unión por nucleón. Los dos nuevos núcleos tienen mayor estabilidad y la fisión libera energía. La cantidad de energía producida es significativamente mayor que la producida por cualquier reacción química.
Luego se puede generar energía nuclear creando una reacción en cadena en un material fisionable (uno que se fusiona con neutrones de menor energía). En la reacción en cadena, los neutrones liberados por la fisión de un átomo inducen la fisión en más átomos, y así sucesivamente. Con una masa crítica, esta reacción en cadena se vuelve autosuficiente, y si se puede evitar que se salga de control (insertando materiales absorbentes de neutrones en la masa crítica), la energía que genera se puede utilizar para generar electricidad en una central nuclear. planta. El uranio-235 es el combustible nuclear más utilizado.
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