Fisión nuclear

La fisión nuclear es una de las dos reacciones posibles que se producen cuando trabajamos con energía nuclear.

En energía nuclear llamamos fisión nuclear a la división del núcleo de un átomo. El núcleo se convierte en diversos fragmentos con una masa casi igual a la mitad de la masa original más dos o tres neutrones.

La suma de las masas de estos fragmentos es menor que la masa original. Esta 'falta' de masas (alrededor del 0,1 por ciento de la masa original) se ha convertido en energía según la ecuación de Einstein (E=mc²). En esta ecuación E corresponde a la energía obtenida, m a la masa de la que hablamos y c es una constante, la de la velocidad de la luz: 299.792.458 m/s². Con este valor de la constante c ya se puede ver que por poca unidad de masa que extraigamos en una fisión nuclear obtendremos grandes cantidades de energía
La fisión nuclear puede ocurrir cuando un núcleo de un átomo pesado captura un neutrón, o puede ocurrir espontáneamente.
           

                             Cadena de reacciones nucleares

Una reacción en cadena se refiere a un proceso en el que los neutrones liberados en la fisión produce una fisión adicional en al menos un núcleo más. Este núcleo, a su vez produce neutrones, y el proceso se repite. El proceso puede ser controlado (energía nuclear) o incontrolada (armas nucleares).

Si en cada fisión provocada por un neutrón se liberan dos neutrones más, entonces el número de fisiones se duplica en cada generación. En este caso, en 10 generaciones hay 1.024 fisiones y en 80 generaciones aproximadamente 6 x 10²³ fisiones.

                              Energía liberada por cada fisión nuclear

165 MeV ~ Energía cinética de los productos de fisión
7 MeV ~ Rayos gamma
6 MeV ~ Energía cinética de los neutrones
7 MeV ~ Energía a partir de productos de fisión
6 MeV ~ Rayos gama de productos de fisión
9 MeV ~ Anti-neutrinos de los productos de fisión

200 MeV

1 MeV (millones de electrón-voltios) = 1,609 x 10^-13 Joules

                                                            Masa critica
Aunque en cada fisión nuclear  se producen entre dos y tres neutrones, no todos neutrones están disponibles para continuar con la reacción de fisión. Si las condiciones son tales que los neutrones se pierden a un ritmo más rápido de lo que se forman por la fisión, los que se produzcan en la reacción en cadena no será autosuficiente.

La masa crítica es el punto donde la reacción en cadena puede llegar a ser autosostenible.En una bomba atómica, por ejemplo, la masa de materias fisionables es mayor que la masa crítica.

La cantidad de masa crítica de un material fisionable depende de varios factores, la forma del material, su composición y densidad, y el nivel de pureza.

Una esfera tiene la superficie mínima posible para una masa dada, y por tanto, reduce al mínimo la fuga de neutrones. Bordeando el material fisionable con un neutrón adecuado "Reflector", la pérdida de neutrones pueden reducirse y la masa crítica puede ser reducida

                                                

                                                       Fisión nuclear controlada

Para mantener un control sostenido de reacción nuclear, por cada 2 o 3 neutrones puestos en libertad, sólo a uno se le debe permitir dar a otro núcleo de uranio. Si esta relación es inferior a uno entonces la reacción va a morir, y si es más grande va a crecer sin control (una explosión atómica). Para controlar la cantidad de neutrones libres en el espacio de reacción debe estar presente un elemento de absorción de neutrones. La mayoría de los reactores son controlados por medio barras de control hechas de neutrones de un fuerte material absorbente, como el boro o el cadmio.

Además de la necesidad de capturar neutrones, los neutrones a menudo tienen mucha energía cinética (se mueven a gran velocidad). Estos neutrones rápidos se reducen a través del uso de un moderador, como el agua pesada y el agua corriente. Algunos reactores utilizan grafito como moderador, pero este diseño tiene varios problemas. Una vez que los neutrones rápidos se han desacelerado, son más propensos a producir más fisiones nucleares o ser absorbidos por la barra de control.

¿Por qué se usa uranio y el plutonio?

Los científicos sabían que el isótopo más común, el uranio 238. Hay una probabilidad bastante alta de que un neutrón incidente sea capturado para formar uranio 239 en lugar de causar una fisión. Sin embargo, el uranio 235 tiene una probabilidad de fisión más alta.

Del uranio natural, sólo el 0,7% es de uranio 235. Esto significa que se necesita una gran cantidad de uranio para obtener la cantidad necesaria de uranio 235. Además, el uranio 235 no se pueden separar químicamente del uranio 238, ya que los isótopos son químicamente similares.

Los métodos alternativos tuvieron que desarrollarse para separar los isótopos.

El plutonio 239 tiene una probabilidad alta de fisión. Sin embargo, el plutonio 239 no es un elemento natural y debería hacerse.

Se trata de los materiales más usados en las centrales de energía nuclear.

                                     Fusión nuclear espontanea 

La tasa de la fisión nuclear espontánea es la probabilidad por segundo que un átomo dado se fisione de forma espontánea - es decir, sin ninguna intervención externa. El plutonio 239 tiene una muy alta tasa de fisión espontánea en comparación con la tasa de fisión espontánea de uranio 235.

                                     Aplicación pacificas de la fusión nuclear 

Una de las aplicaciones pacificas nuclear es la generación de electricidad utilizando el calor producido por una reacción en cadena controlada en un reactor nuclear .el reactor nuclear es un sistema construido para controlar la energía que se produce en reacción  en cadena y por tanto , impedir el aumento indefinido en el numero de fisiones. El reactor consiste básicamente en un contenedor cuyo interior se deposita el combustible nuclear, que puede ser uranio 235- o plutonio-239.

El combustible nuclear de uranio  se utiliza en forma de oxido U3 O8. El uranio natural contiene aproximadamente 0,7%del isotopo U-235, que es una concentración demasiado baja para sostener una pequeña reacción en cadena para que se trabaje con eficiencia, el combustible nuclear debe  enriquecerse con U-235 a una concentración del 3 al 4 %  

Una central nuclear es una instalación formada por un reactor conectado a un sistema de generación eléctrica. La energía obtenida en una central nuclear es enorme en comparación con la producida en una central termo eléctrica .Con la fisión nuclear de 1g de uranio se obtiene la misma cantidad de energía que con la combustión de 2500kg de carbón lo  que produciría la explosión de 30.000 kg de trinitulueno (TNT).

Hay dos grandes tipos de reactores Los reactores de potencia y los reactores de investigación. Los primeros funcionan básicamente como calderas, donde la fuente de color  es la fisión  de los átomos de U-235. Son ampliamente utilizados para la generación de electricidad y para impulsar grandes buques y submarinos militares. En tanto, los reactores de investigación emplean neutrones generados en el proceso de fisión para producir  radio isotopos de interés para irradiar materiales con fines de investigación científica y tecnológica .La energía térmica es generada es disipada al ambiente a través de torres de enfriamiento.