REACCIONES NUCLEARES FISIÓN Y FUSIÓN NUCLEAR

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Prof. Denisse Casais

FISIÓN NUCLEAR

Las imágenes muestran 2 artefactos tecnológicos basados en la fisión

nuclear.

¿QUÉ ES LA FISIÓN NUCLEAR?

DESCUBRIMIENTO

Algunos años después del descubrimiento de la radiactividad, Lise Meitner (nacida en Viena en 1878) comienza a investigar las emisiones de partículas α.

En 1907 instalada en Berlín, conoce al químico Otto Hahn junto a quien decide continuar con el estudio de la radiactividad. Corría el año 1935, cuando Enrico Fermi y su grupo de colaboradores estaban dedicados a bombardear los elementos de la Tabla Periódica con neutrones lentos. Esto los lleva a obtener una gran cantidad de nuevos elementos radiactivos.

Cuando llegan al uranio, el resultado que obtienen los desconcierta pues obtienen una compleja mezcla de elementos radiactivos, algunos de los cuales creen identificar como nuevos y de mayor número atómico que el uranio y que hasta entonces se desconocían.

Sin embargo algo más había ocurrido pero al parecer “se les pasó por alto.”

¿Qué fue lo que Fermi y sus colaboradores no interpretaron correctamente?

Fermi y sus colaboradores no detectaron los fragmentos en que se habían roto muchos núcleos de uranio sino algo menos relevante como eran algunos nuevos isótopos, algo que sí estaba dentro de los resultados esperados y podían ser explicados. No debe olvidarse que en esa época era impensable que el núcleo atómico pudiera romperse en fragmentos, esta idea estaba excluida por completo y seguramente fue lo que impidió a Fermi y sus colaboradores comprender y dar una explicación a lo que realmente había ocurrido.

En este marco, Otto Hahn y Lise Meitner, escépticos sobre alguno de los resultados de Fermi, deciden revisarlos junto al químico Fritz Strassmann. Al realizar sus experimentos en los cuales irradian uranio con neutrones, obtienen tres conjuntos de elementos radiactivos, algunos de los cuales también creen identificar como elementos de mayor número atómico que el uranio.

En julio de 1938, mientras se estaban llevando a cabo estos experimentos, Lise se ve obligada a escapar a Holanda debido a la incorporación de Austria al Tercer Reich y posteriormente se traslada a Suecia tras recibir un ofrecimiento para trabajar en Estocolmo. Antes de huir a Holanda, Lise había discutido con Hahn y Strassmann sobre un “extraño” elemento radiactivo nuevo que Irène Curie y Pavel Savitch habían descubierto en París al irradiar uranio con neutrones y cuya formación sólo podía explicarse si había tenido lugar la fisión de uranio.

Hahn y Strassmann que continúan en Alemania, negándose a creer todavía que la fisión hubiera ocurrido, deciden repetir el experimento de Curie y Savitch. Al irradiar uranio con neutrones, detectan trazas de radiactividad como si proviniera de elementos químicamente similares al radio, pero cuya actividad disminuía a la mitad en horas. Luego de muchos meses de trabajo, logran identificar a los elementos responsables de este comportamiento, bario, lantano y cerio.

A la luz de estos resultados, la evidencia de que había ocurrido la fisión era incontrovertible.

Desde Suecia, Lize y su sobrino el físico Otto Frisch luego de realizar complejos cálculos logran dar con la explicación teórica de lo que había ocurrido, es decir la fisión del núcleo de Uranio.

El hallazgo teórico era fascinante y pronto todos los laboratorios del mundo que estaban preparados, llevaron a cabo la nueva reacción nuclear confirmando el proceso de Hahn y la validez de la interpretación teórica de Meitner y Frisch.

La fisión nuclear consiste en la

ruptura o fragmentación del núcleo de

un elemento de elevado número

atómico, originándose como resultado

2 núcleos ligeros, 2 o más neutrones

y gran cantidad de energía.

La manera más eficiente de inducir la fisión es por la colisión de un neutrón lento contra núcleos pesados. Si bien los nucleidos con A (número másico) comprendido entre 225 y 250 pueden fisionarse al ser bombardeados, los núcleos más apropiados son : 233U, 235U y 239Pu.

La fisión de estos núcleos es la que tiene importancia práctica como método de obtención de energía.Laprimera reacción de fisión observada fue la que ocurre al bombardear el 235U con neutrones lentos.

El mecanismo propuesto para la fisión es el siguiente:

235

U + n (

U)

Cuando el núcleo de un átomo fisionable es bombardeado por neutrones, uno de ellos puede ser absorbido

generando un núcleo compuesto en estado excitado (236U). Lo que suceda cuando el neutrón incida sobre el núcleo, es decir, que se fragmente o no, dependerá de la energía del neutrón que impacta en él. En el caso de la 235U sólo 1 de cada 6 núcleos se estabiliza emitiendo la energía de excitación en forma de radiación gamma, en tanto que los 5 restante se fisionan.

¿Cuál es el origen de la energía liberada en la fisión nuclear?

El origen es la transformación de una pequeña parte de la masa nuclear en energía de acuerdo a: E=m.c2

La mayor parte de la energía liberada en la fisión se manifiesta como energía cinética de los fragmentos de fisión y de los neutrones los cuales salen disparados a grandes velocidades en todas las direcciones. También parte de la misma se libera en forma de radiación gamma.

Cuando un núcleo se fisiona no siempre lo hace del mismo modo. Los fragmentos de la fisión suelen ser muy variados. En el caso de la fisión del 235U se generan una variedad de productos diferentes, más de 200 correspondientes a aproximadamente 35 elementos distintos.

Es importante destacar que la gran mayoría de estos núcleos obtenidos como resultado de la fragmentación del núcleo de 235U son radiactivos, algunos incluso con períodos de semidesintegración muy grandes.

REACCIÓN EN CADENA

Si se quiere evitar una reacción en cadena “descontrolada” hay que controlar el número de neutrones absorbiéndolos

de alguna manera. Es lo que se lleva a cabo en las centrales nucleares.

Para que la reacción en cadena se produzca en forma efectiva y pueda auto mantenerse se requieren dos condiciones:

La cantidad de neutrones que se originan por la fisión de cada núcleo es variable. Para el caso del 235U se producen 2,5 neutrones en promedio por cada núcleo que se fisiona. Cada neutrón originado puede a su vez provocar nuevas fisiones. Si todas ellas iniciaran nuevas fisiones se produciría un número de fisiones que aumentaría en forma exponencial.En muy poco tiempo se

fisionarían una infinidad de núcleos dando lugar a una reacción en cadena y es lo que sucede en la bomba atómica

235

92U + 10n (23692U)

235

92U + 10n (23692U)

235

92U + 10n (23692U) 14354Xe + 9038Sr + 3 10n

235

92U + 10n (23692U) 14056Ba + 9336Kr + 3 10n

235

 Que la muestra de material fisionable tenga cierta masa mínima (masa crítica).

 Que los neutrones producidos en cada fisión tengan la energía adecuada para provocar nuevas fisiones. Muchos de los neutrones producidos en cada una de las fisiones pueden escapar de la muestra sin encontrar otros núcleos a los que fisionar. Los que se originan en la superficie escapan de la muestra sin causar prácticamente efecto alguno.

Para que la reacción de fisión en cadena se inicie y pueda auto mantenerse, se requiere cierta masa mínima denominada masa crítica, la cual depende de la geometría, el tipo de material fisionable y la pureza del mismo. Para el 235U la masa crítica es de 52Kg. Si la masa de material fisionable es menor que este valor (masa subcrítica), muchos neutrones escaparán de la muestra sin inducir nuevas fisiones y la reacción se detiene. Si por el contrario la masa es mayor (masa supercrítica) muy pocos neutrones escaparán de la muestra sin producir nuevas fisiones, el número de estas aumenta sin control originando una violenta explosión.

En lo que respecta a la 2º condición, cabe destacar que para que la reacción en cadena pueda auto mantenerse, los neutrones producidos en cada fisión deben tener la energía adecuada para provocar nuevas fisiones.

Dado que el 235U requiere neutrones térmicos de E< 0,025 eV y los que se producen en la fisión tienen una energía aproximada de 2 MeV, será necesario frenar los neutrones originados para que sean capaces de provocar nuevas fisiones. Esto se logra empleando un moderador, sustancia que disminuye la energía cinética de los neutrones sin absorberlos.

Los moderadores más utilizados son agua, agua pesada (D2O) y carbono grafito. La razón de porqué estas sustancias resultan útiles como moderadores radica en las características de los núcleos de los átomos que las componen. Lo ideal es que los núcleos de los átomos de estas sustancias tengan masa pequeña y poca capacidad de absorber neutrones.

Aplicando sencillas ecuaciones de cantidad de movimiento y energía cinética, se puede fundamentar adecuadamente porqué se deben utilizar estos moderadores.

CENTRALES NUCLEARES

Una central nuclear es un ingenio industrial que produce electricidad a gran escala haciendo rotar una turbina. La energía liberada en la fisión es transferida a un fluído (líquido como por ej. H2O o gas) produciendo un aumento de temperatura. Este fluido caliente circula transfiriendo la energía en forma de calor al agua líquida originando vapor (Generador de vapor). El vapor de agua mueve la turbina generándose de este modo la electricidad.

El corazón de una central nuclear es el reactor. Un reactor nuclear es un dispositivo en que se puede provocar, auto mantener y controlar una reacción nuclear en cadena. En él se produce y controla la energía liberada por la fisión del combustible.

El primero fue puesto en funcionamiento el 2 de diciembre de 1942, en el campo de Deportes de la Universidad de Chicago, bajo la dirección del prestigioso científico Enrico Fermi.

En las centrales nucleares, dentro del reactor nuclear, ocurre una reacción de fisión en cadena controlada. Mediante un adecuado control de determinados parámetros físicos, se produce cada segundo un número muy alto de

reacciones de fisión, a una tasa que permanece constante.

Un reactor consta de los siguientes componentes básicos:

 Combustible nuclear

 Refrigerante o fluido de trabajo

 Moderador

 Barras de control

 Recipiente de presión

 Edificio de contención

 Reflector de neutrones

 Blindaje

Núcleo del reactor: aquí es donde ocurre la

fisión nuclear.

INTERESANTE…

FUSIÓN NUCLEAR

¿QUÉ ES LA FUSIÓN NUCLEAR?

Actividad 1

Luego de leer el texto sobre el descubrimiento de la fisión nuclear responde:

1. ¿Por qué Fermi y sus colaboradores no lograron identificar que al bombardear uranio con neutrones había ocurrido la fisión de algunos núcleos?

2. ¿De qué modo la teoría aceptada en un momento dado condiciona el descubrimiento y desarrollo de nuevos conocimientos?

“El uranio natural es una mezcla de varios isótopos, siendo el U-238 no fisionable, el más abundante. El isótopo fisionable, U -235 representa sólo el 0,7204 % del uranio natural.

Para que el uranio pueda utilizarse como combustible nuclear en la Centrales Nucleares, la proporción tiene que ser del 3% o más, es decir que el Uranio de las minas hay que enriquecerlo.

En 1950 el físico nuclear Kuroda, comparando las vidas medias de los isótopos U -235 y U -238 propuso que, en algún momento (hace unos miles de millones de años), la proporción de ambos isótopos tuvo que ser diferente a la actual, debiendo superar el 3%. De esto podía concluirse que quizá en épocas remotas se pudo haber desencadenado reacciones nucleares en la naturaleza.

20 años más tarde se encontraron cosas fascinantes…Unas partidas de mineral de uranio proveniente de unas minas en el sudoeste de África y alrededores, tenía un porcentaje de uranio mucho más bajo que lo usual, incluso tan bajo como el 0,44 % de U-235. Una posible explicación a esto era que el U-235 que faltaba, se había fisionado en algún momento en que la abundancia relativa era como lo había predicho Kuroda, superior al 3%.

Más adelante los investigadores hallaron en la zona, isótopos del elemento Neodimio, típico producto de fisión nuclear y exactamente en las mismas proporciones que se encuentran en los modernos reactores nucleares.

Cuando más tarde se descubrió que el moderador había sido agua (mucha cantidad de agua) se pudo arribar a la conclusión de que hace 1800 millones de años se dieron en esta zona de África, las condiciones apropiadas para que ocurriera un proceso de fisión nuclear, un reactor natural que liberó energía durante 500.000 años.

Es el proceso mediante el cual 2 núcleos pequeños se fusionan para formar uno de mayor masa. En este proceso se libera una gran cantidad de energía.

La energía liberada se origina porque en el proceso de fusión hay una pequeña parte de masa nuclear que se transforma en energía, según E=m.c2

Para que los núcleos pequeños puedan vencer la fuerza de repulsión entre ellos (ambos tienen carga positiva) y puedan fusionarse, es necesario suministrar una gran cantidad de energía. Se requieren temperaturas muy elevadas, de varios millones de grados Celsius.

Estas condiciones existen en

el interior del sol y las estrellas, lo que hace posible que se fusionen núcleos del elemento hidrógeno, originando Helio.

Actividad 2

En un reactor nuclear, además de los productos de la fisión del 235U y de los productos que se originan por decaimiento de los fragmentos de fisión, se forman otros como el 239Pu que se origina por captura

neutrónica a partir del 238U.

Plantea la ecuación nuclear que representa la formación del 239Pu a partir del 238U.

Actividad 3

Busca información y realiza una breve descripción de cada uno de los accidentes durante la historia de los reactores nucleares.

Actividad 4

a) ¿Qué evidencias llevaron a pensar que millones de años atrás ocurrieron este tipo de reacciones nucleares en la naturaleza?

b) ¿Qué función cumplió el agua en el proceso descrito?

Actividad 5

Completa las siguientes ecuaciones que representan algunas de las reacciones nucleares que ocurren en las estrellas

1 1H + 1 1H  ? ?H + ? ? e

2 1H + 1 1H  ? ?He + ү

? ?He +? ?He  4 ?He + 2 ? 1H

Actividad 6

La energía de fusión podría transformarse en una de las fuentes de energía más importantes del futuro.

¿Cuáles son las ventajas y desventajas de la fusión y de la fisión nuclear en su utilización para la obtención de energía?

Ventajas Desventajas

Fisión nuclear

Fusión nuclear

BIBLIOGRAFÍA

 Docentes aprendiendo en red. Pedeciba-Unesco. Aportes de la Química al mejoramiento de la

calidad de vida. Primera edición.Junio de 2012

 Leyva, M.L. (2010). Nucleares, ¿por qué no? Como afrontar el futuro de la energía, 1ª Ed., Debolsillo, España.

 Perutz, M.F. (2002) Los científicos, la ciencia y la humanidad. Ojalá te hubiese hecho enojar antes, Ediciones Granica S.A, España.