FISIÓN Y FUSIÓN NUCLEAR

FISIÓN Y FUSIÓN NUCLEAR 

Los procesos de división de núcleos pesados por bombardeo nuclear generando núcleos más livianos (fisión nuclear) y los procesos de unión de núcleos ligeros para formar núcleos de masa mayor (fusión nuclear) son exotérmicos y ambos fenómenos son de suma importancia: las centrales nucleoeléctricas destinadas a generar energía y algunas formas de armamento nuclear dependen del proceso de fisión nuclear para su funcionamiento; por su parte el proceso de fusión nuclear es fundamental en la producción de energía en el Sol. 

El esquema de la figura nos da un ejemplo de un proceso de fisión nuclear inducida: en este caso un neutrón incide sobre un núcleo de Uranio-235 y éste como resultado de la colisión nuclear se fragmenta en otros 2 núcleos más pequeños (uno de estroncio y otro de xenón). Asimismo se liberan 3 nuevos neutrones y energía (producción de rayos gamma, γ). Cada neutrón liberado puede provocar otra fisión. En el ejemplo, se pueden producir 3 nuevas fisiones y cada una de ellas liberará energía, generará más núcleos productos y 3 neutrones más; éstos últimos tendrán la posibilidad de inducir más fisiones y así sucesivamente. Ocurrirá entonces una reacción en cadena que acelera la velocidad de fisión y crece rápidamente la energía liberada. Por lo expresado: el proceso debe ser controlado. 

La ecuación de fisión nuclear del ejemplo es: ²³⁵₉₂U + ¹₀n → ⁹⁰₃₈Sr + ¹⁴³₅₄Xe + 3¹₀n 

Que se produzca o no la reacción en cadena de una muestra dependerá de su masa. Por debajo de un valor mínimo (llamado masa subcrítica) la reacción en cadena se detiene porque los neutrones generados escapan de la muestra y no pueden colisionar con otros núcleos; cuando aumenta el valor de la masa y alcanza la llamada masa crítica (mínima masa del material fisionable para generar una reacción nuclear en cadena) se obtiene una velocidad de fisión aproximadamente constante (en promedio un neutrón producido en cada fisión está en condiciones de generar una nueva fisión); por encima del valor de la masa crítica se llega a la “masa supercrítica” y ahí se multiplica la reacción en cadena y puede ocasionar una explosión. 

El conocimiento de los hechos mencionados ha inspirado el uso de la fisión nuclear con fines no siempre “humanitarios”. 

En Julio de 1945 nace la primera bomba atómica en el Laboratorio Nacional de los Álamos, en Nuevo México. 

En forma esquemática la imagen adjunta del diseño de bomba atómica extraída del texto “Química” de R. Chang (10^a Edición) nos ilustra cómo funciona: se encienden explosivos químicos (TNT, trinitrotolueno) y eso fuerza la unión de las secciones fisionables (2 muestras de U-235 de masas subcríticas); se forma así una cantidad de masa mayor (una masa supercrítica); una fuente de neutrones situada en el centro del dispositivo inicia la fisión nuclear que en estas condiciones favorece la reacción en cadena (y sin control) aumentando la energía liberada y culminando en la explosión nuclear. 

En Agosto de 1945 se lanzaron bombas atómicas sobre las ciudades japonesas de Hiroshima y Nagasaki con resultados letales. 

Cómo se indicó al inicio del presente trabajo, la fisión nuclear también es usada con fines pacíficos: generación de electricidad aprovechando el calor liberado de una reacción en cadena permanentemente controlada en reactores nucleares. Los principales inconvenientes de la fisión nuclear son: productos radiactivos y con vida media larga (ejemplos: Sr-90; Pu-239;etc.); posibles accidentes nucleares (ejemplo: el ocurrido en Abril de 1986 en un reactor de la planta nuclear de Chernobyl que liberó gran cantidad de material radiactivo al ambiente provocando numerosos daños y muertes); disposición segura de los desechos radiactivos... 

El Sol: se compone básicamente de hidrógeno y helio y en su interior (que alcanza temperaturas cercanas a 15 millones de grados Celsius) se dan las reacciones de fusión nuclear (también llamadas reacciones termonucleares porque sólo ocurren a temperaturas muy elevadas); nos regala amaneceres y atardeceres hermosos y también nos recuerda que emplea una forma de producción de energía continua y más sana que la fisión nuclear ya que genera pocos desperdicios radiactivos. Considerando además que los combustibles necesarios son baratos y casi inagotables (uno de los cuales podría ser el deuterio, ²H) resulta atractivo encaminar investigaciones y proyectos que apunten al aprovechamiento de la fusión nuclear en la producción de energía. 

 

La figura nos muestra un esquema de fusión nuclear: en este ejemplo se unen 2 núcleos pequeños (uno de deuterio, ²₁H y otro de tritio, ³₁H) 

El resultado de la fusión es la formación de un núcleo más grande (de helio, ⁴₂He) y en el proceso se libera energía y un neutrón (¹₀n). 

La ecuación nuclear correspondiente a esta fusión nuclear es: 

²₁H + ³₁H → ⁴₂He + ¹₀n 

Aunque se tiene el conocimiento científico para diseñar un reactor de fusión que produzca energía aún no se ha logrado construirlo: no se ha encontrado la forma de mantener unidos a los núcleos el tiempo suficiente y a la temperatura adecuada para que ocurra la fusión nuclear. Se necesitan temperaturas muy altas (unos 100 millones de grados Celsius) alcanzándose el estado de la materia denominado plasma en donde existe una mezcla gaseosa de iones positivos y de electrones. En consecuencia se debería disponer de algún recipiente que resista dichas temperaturas y pueda contener una muestra fusionable y en cantidad suficiente en estado plasmático. Con el objetivo de solucionar estos inconvenientes se investigan algunas alternativas como ser el empleo de un confinamiento magnético del plasma; utilización de rayos láser de alta potencia para iniciar la reacción de fusión; etc.