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¿Qué es la fisión nuclear? – Definición y proceso

Publicado el 4 octubre, 2020

¿Qué es la fisión nuclear?

La fisión nuclear es el proceso en el que un núcleo grande se divide en dos núcleos más pequeños con la liberación de energía. En otras palabras, la fisión es el proceso en el que un núcleo se divide en dos o más fragmentos y se liberan neutrones y energía.

Los cambios de masa y los cambios de energía asociados en las reacciones nucleares son significativos. Por ejemplo, la energía liberada por la reacción nuclear de 1 kg de uranio es equivalente a la energía liberada durante la combustión de unos cuatro mil millones de kilogramos de carbón.

El proceso

Esta es la famosa ecuación de Albert Einstein que relaciona la masa y la energía:

Einstein

Esto significa que cualquier reacción produce o consume energía debido a una pérdida o ganancia de masa. La energía y la masa son equivalentes. Tenga en cuenta que debido a que c elevado a la segunda potencia es grande, un pequeño cambio en la masa produce un gran cambio en la energía. Cuando los nucleones , o partículas que comprenden el núcleo atómico, se combinan para formar un átomo, se libera energía. En correspondencia con el defecto de masa, la masa del núcleo es siempre menor que la suma de las masas de los protones y neutrones individuales que lo componen.

Por el contrario, se necesita energía para romper un núcleo en sus nucleones. La energía de enlace nuclear se puede definir como la cantidad de energía necesaria para romper un mol de núcleos en nucleones individuales. Cuanto mayor es la energía de enlace por nucleón, más fuertes se mantienen juntos los nucleones y más estable es el núcleo. Los átomos menos estables tienen energías de enlace más bajas por nucleón. En otras palabras, es más difícil romper un núcleo con una alta energía de enlace que un núcleo con una baja energía de enlace. La energía de enlace por nucleón es función del número de masa. Los núcleos ligeros ganan estabilidad al someterse a fusión nuclear. Los núcleos pesados ​​ganan estabilidad al someterse a fisión nuclear.

La siguiente figura muestra la energía de enlace en función del número de masa.

energía de unión

Las energías de enlace en esta figura indican que los núcleos pesados ​​tienden a ser inestables. Para ganar estabilidad, pueden fragmentarse en varios núcleos más pequeños. Debido a que los átomos con un número de masa alrededor de 60 son los más estables, los átomos pesados ​​(aquellos con un número de masa superior a 60) tienden a fragmentarse en átomos más pequeños para aumentar su estabilidad. La división de un núcleo en fragmentos va acompañada de una gran liberación de energía.

Plantas de energía nuclear

Las plantas de energía nuclear utilizan la fisión nuclear para generar energía. Los núcleos de los átomos de uranio, así como los núcleos de otros átomos grandes, pueden sufrir fisión nuclear de forma natural. La primera reacción de fisión nuclear descubierta involucró al uranio-235 . Las plantas de energía nuclear utilizan el núcleo de uranio-235 para someterse a la fisión al golpearlas con neutrones, como se muestra en el modelo del siguiente diagrama.

uranio de fisión

La figura representa el proceso de fisión nuclear cuando un neutrón golpea un núcleo de uranio-235. El bario-141 y el criptón-92 son solo dos de los muchos productos posibles de esta reacción de fisión. De hecho, los científicos han identificado más de 200 isótopos de productos diferentes de la fisión de un núcleo de uranio-235.

Los elementos bario y criptón son resultados típicos de esta fisión. La energía liberada por cada fisión se puede encontrar calculando las masas de los átomos en cada lado de la ecuación. En la reacción que acabamos de ver, la masa total en el lado derecho de la ecuación es 0.186 amu más pequeña que la de la izquierda. La energía equivalente de esta masa es 2.78×10 ^ -11 J, o 173 MeV. Esta energía aparece como la energía cinética de los productos de la fisión.

Reacción nuclear en cadena

Cada fisión de uranio-235 libera neutrones adicionales, como se muestra en esta figura.

fisión de uranio 2

Si una reacción de fisión produce dos neutrones, estos dos neutrones pueden causar dos fisiones adicionales. Si esas dos fisiones liberan cuatro neutrones, esos cuatro neutrones dividen otros núcleos y luego podrían producir cuatro fisiones más, y así sucesivamente, lo que resulta en una reacción en cadena nuclear como se muestra en esta figura.

neutrón

Esta situación en la figura anterior es un tipo de reacción nuclear en cadena; una serie continua de reacciones de fisión nuclear, un proceso autosostenido en el que una reacción inicia la siguiente.

El número de fisiones y la cantidad de energía liberada pueden aumentar rápidamente. En una reacción en cadena descontrolada, se liberan grandes cantidades de energía muy rápidamente, como se muestra aquí.

cadena

De hecho, la tremenda energía de una bomba atómica es el resultado de una reacción en cadena descontrolada. Por el contrario, las centrales nucleares utilizan reacciones en cadena controladas. La energía liberada por los núcleos del combustible de uranio se utiliza para generar energía eléctrica. Un combustible común es el óxido de uranio (IV) fisionable (UO2) encerrado en varillas resistentes a la corrosión. El U-238 es el isótopo más abundante (99%) de uranio. El U-235 , que constituye el 0,7% del uranio natural, tiene la rara propiedad de poder someterse a una fisión inducida. Los átomos de U-235 sufren fisión cuando son golpeados por un neutrón. El combustible utilizado en las centrales nucleares está enriquecido para contener un 3% de uranio-235, la cantidad necesaria para sostener una reacción en cadena, y se denomina uranio enriquecido . Adicionallas barras , a menudo hechas de cadmio o boro, controlan el proceso de fisión dentro del reactor al absorber los neutrones liberados durante la reacción.

Mantener la reacción en cadena mientras se evita que se salga de control requiere un monitoreo preciso y un ajuste continuo de las barras de control. Gran parte de la preocupación por las centrales nucleares se centra en el riesgo de perder el control del reactor nuclear, lo que posiblemente resulte en la liberación accidental de niveles dañinos de radiación. El accidente de Three Mile Island en Estados Unidos en 1979 y el accidente de Chernobyl en Ucrania en 1986 son ejemplos de por qué el control del reactor es fundamental.

Resumen de la lección

Revisemos. Los núcleos de algunos átomos pueden descomponerse en dos núcleos más pequeños y estables durante un proceso llamado fisión nuclear . Los núcleos pesados ​​con un número de masa superior a 60 tienden a ser inestables y a dividirse en núcleos más pequeños con una liberación de energía. La reacción en cadena nuclear es una serie continua de reacciones de fisión nuclear; un proceso autosostenido en el que una reacción inicia la siguiente.

Términos clave de la fisión nuclear


Planta de energía nuclear
Fisión nuclear

Condiciones Definiciones
Fisión nuclear El proceso que involucra un gran núcleo que se divide en dos núcleos más pequeños y libera energía.
Nucleones partículas que componen el núcleo atómico
Energía de enlace nuclear la cantidad de energía necesaria para romper un mol de núcleos en nucleones individuales
Plantas de energía nuclear plantas que utilizan la fisión nuclear para generar energía
Uranio-235 utilizado en la primera reacción de fisión nuclear descubierta
Reacción en cadena nuclear una serie continua de reacciones de fisión nuclear
Bomba atómica el resultado de una reacción en cadena incontrolada; libera una tremenda energía
U-238 el isótopo más abundante (99%) de uranio
U-235 constituye el 0,7% del uranio natural; es capaz de sufrir una fisión inducida
Uranio enriquecido Combustible utilizado en centrales nucleares enriquecido para contener un 3% de uranio 235
Varillas controlar el proceso de fisión dentro del reactor absorbiendo los neutrones liberados durante la reacción; hecho de cadmio o boro

Los resultados del aprendizaje

Cuando termine esta lección, los estudiantes deberían poder:

  • Describe el proceso de fisión nuclear.
  • Explica lo que implica una reacción en cadena nuclear.
  • Identificar lo que ocurre en las centrales nucleares.

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