Fisión nuclear
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En física, fisión es un proceso nuclear, lo que significa que ocurre en el núcleo del átomo. La fisión ocurre cuando el núcleo se parte en dos o más núcleos pequeños, más algunos subproductos. Estos subproductos incluyen los neutrones libres y la emisión de fotones (generalmente rayos gamma) asociada, que supone cantidades substanciales de energía.
La fisión se puede inducir por varios métodos, incluyendo el bombardeo del núcleo de un átomo fisionable con otra partícula de la energía correcta; la otra partícula es generalmente un neutrón libre. Este neutrón libre es absorbido por el núcleo, haciéndole inestable (como una pirámide de naranjas en el supermercado llega a ser inestable si alguien lanza otra naranja en ella a la velocidad correcta). El núcleo inestable entonces se partirá en dos o más pedazos: los productos de la fisión e incluyen dos núcleos más pequeños, hasta siete neutrones libres (con una media de dos y medio por reacción), y algunos fotones.
El proceso genera mucha más energía que la que se libera en las reacciones químicas; la energía se emite en la forma de radiación del fotón (como rayos gamma) y en la energía cinética (energía del movimiento) de los núcleos y de los neutrones resultantes.
Los núcleos atómicos lanzados como productos de la fisión pueden ser varios elementos químicos. Qué elementos se producen es algo al azar, pero estadísticamente el resultado más probable es encontrar núcleos con la mitad de protones y neutrones del átomo fisionado original.
Los productos de la fisión son generalmente altamente radiactivos: no son isótopos estables; estos isótopos entonces decaen, mediante cadenas de desintegración.
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[editar] Induciendo la Fisión
- Aunque la fisión es comenzada a menudo lo más fácilmente posible (inducido) por la absorción de un neutrón libre, puede también ser inducida lanzando otras cosas en un núcleo fisionable. Estas otras cosas pueden incluir protones, otros núcleos, o aún los fotones de gran energía en cantidades muy altas (porciones de rayos gammas).
- Muy rara vez, un núcleo fisionable experimentará la fisión nuclear espontánea sin un neutrón entrante.
- Inducir la fisión es más fácil en los elementos pesados, cuanto más pesado, mejor. La fisión en cualquier elemento más pesado que el hierro produce energía, y la fisión en cualquier elemento más liviano que el hierro requiere energía. Lo contrario también es verdad en las reacciones de fusión nuclear - la fusión de los elementos más livianos que el hierro produce energía, y la fusión de los elementos más pesados que el hierro requiere energía.
- Los elementos más frecuentemente usados para producir la fisión nuclear son el uranio y el plutonio. El uranio es el elemento natural más pesado; el plutonio experimenta desintegraciones espontáneas y tiene un período limitado. Así pues, aunque otros elementos pueden ser utilizados, estos tienen la mejor combinación de abundancia y facilidad de la fisión. Vea fisible.
[editar] Reacción en cadena
Una reacción en cadena ocurre como sigue: un acontecimiento de la fisión ocurre, lanzando 2 o más neutrones como subproductos. Estos neutrones se escapan en direcciones al azar y golpean otros núcleos, incitando a estos núcleos para experimentar la fisión. Puesto que cada acontecimiento de la fisión lanza 2 o más neutrones, y estos neutrones inducen otras fisiones, el proceso construye rápidamente y causa la reacción en cadena. El número de los neutrones que se escapan de una cantidad de uranio depende del área superficial del uranio sí mismo. Solamente los materiales fisibles son capaces de sostener una reacción en cadena sin una fuente externa de neutrones.
[editar] Masa crítica
La masa crítica es la minima cantidad de material requerida para que el material experimente una reacción nuclear en cadena.
La masa crítica de un elemento fisionable depende de su densidad y de su forma física (barra larga, cubo, esfera, etc.). Puesto que los neutrones de la fisión se emiten en direcciones al azar, para maximizar las ocasiones de una reacción en cadena, los neutrones deberán viajar tan lejos como sea posible por tanto material como sea posible para maximizar las posibilidades de que cada neutrón chocará con otro núcleo. Así, una esfera es la mejor forma, y la peor es probablemente una hoja aplanada, puesto que la mayoría de los neutrones volarían de la superficie de la hoja y no chocarían con otros núcleos.
También es importante la densidad del material. Si el material es gaseoso, es poco probable que los neutrones choquen con otro núcleo porque hay demasiado espacio vacío entre los átomos que un neutrón volaría probablemente entre ellos sin golpear nada. Si el material se pone bajo alta presión, los átomos estarán mucho más juntos y las ocasiones de una reacción en cadena son mucho más altas. La alta compresión puede ser alcanzada poniendo el material en el centro de una implosión, o lanzando un pedazo de ella contra otro pedazo de ella muy, muy fuertemente (con una carga explosiva, por ejemplo). Una masa crítica del material que ha comenzado una reacción en cadena se dice que se convierte en supercrítica.
[editar] Moderadores
Sólo juntar mucho uranio en un sólo lugar no es suficiente como para comenzar una reacción en cadena. Los neutrones son emitidos por un núcleo en fusión a una velocidad muy elevada. Esto significa que los neutrones escaparán del núcleo antes de que tengan una oportunidad de golpear cualquier otro núcleo (debido a un efecto relativista).
Un neutrón de movimiento lento se llama Neutrón térmico, y solamente esta velocidad del neutrón puede inducir una reacción de fisión. Así pues, tenemos cuatro velocidades de neutrones:
- Un neutrón (no-térmico) rápido escapará el material sin la interacción;
- Un neutrón de velocidad mediana será capturado por el núcleo y cambiará el material en un isótopo (pero no induciría la fisión).
- Un neutrón de movimiento lento (térmico) inducirá a un núcleo a que experimente la fisión.
- Un neutrón móvil realmente lento será capturado o escapará, pero no causará fisión.
Por algunos años antes del descubrimiento de la fisión, la manera acostumbrada de retrasar los neutrones era hacerlos pasar a través de un material de peso atómico bajo, tal como un material hidrogenoso. El proceso de retraso o de moderación es simplemente una de las colisiones elásticas entre las partículas de alta velocidad y las partículas prácticamente en reposo. Cuanto más parecidas sean las masas del neutrón y de la partícula pulsada, mayor es la pérdida de energía cinética por el neutrón. Por lo tanto los elementos ligeros son los más eficaces como moderadores del neutrón.
A un número de físicos en los años 30 se les ocurrió la posibilidad de mezclar el uranio con un moderador: si estuvieran mezclados correctamente, los neutrones de alta velocidad de la fisión podrían ser retrasados al rebotar de un moderador a la velocidad correcta para inducir la fisión en otros átomos de uranio. Las características de un buen moderador son: peso atómico bajo, y baja o nula tendencia a absorber los neutrones. Los moderadores posibles son entonces el hidrógeno, helio, litio, berilio, boro, y carbón. El litio y el boro absorben los neutrones fácilmente, así que se excluyen. El helio es difícil de utilizar porque es un gas y no forma ningún compuesto. La opción de moderadores estaría entonces entre el hidrógeno, deuterio, el berilio y el carbón. Fueron Enrico Fermi y Leó Szilárd quienes propusieron primero el uso de grafito (una forma de carbón) como moderador para una reacción en cadena. El deuterio es el mejor tecnológicamente (introducido en el agua pesada), sin embargo el grafito es mucho más económico.
[editar] Efectos de los isótopos
El uranio natural se compone de tres isótopos: U-234 (0.006%), U-235 (0.7%), y U-238 (99.3%). La velocidad requerida para un acontecimiento de la fisión contra acontecimiento de la captura de la no-fisión es diferente para cada isótopo.
El U-238 tiende para capturar los neutrones de velocidad intermedia (creando U-239, sin fisión que posteriormente se transforma en Plutonio-239 que también es fisil). Los neutrones de alta velocidad tienden a tener colisiones inelásticas con el U-238, que sólo desaceleran a los neutrones. Entonces, U-238 tiende tanto a reducir la velocidad de los neutrones rápidos como a después capturarlos cuando consiguen a una velocidad intermedia. Debido a su capacidad de producir material fisil a este tipo de materiales se les suele llamar fértiles.
El U-235 se fisiona con una gama mucho más amplia de velocidades de neutrones que el U-238. Puesto que el U-238 afecta a muchos neutrones sin inducir la fisión, tenerlo en la mezcla es malo para promover la fisión. Así pues, si separamos el U-235 del U-238 y desechamos el U-238, promovemos una reacción en cadena. De hecho, la probabilidad de la fisión del U-235 con neutrones de alta velocidad puede ser lo suficientemente alta como para hacer que el uso de un moderador sea innecesario una vez que se haya quitado el U-238.
Sin embargo, el U-235 está presente en uranio natural solamente en cantidades muy reducidas (una parte por cada 140). La diferencia relativamente pequeña en masa entre los dos isótopos hace, además, que su separación sea difícil. La posibilidad de separar U-235 fue descubierta con bastante prontitud en el proyecto Manhattan, lo que tuvo gran importancia para su éxito.
