La fisión nuclear es una reacción nuclear en la que el núcleo de un átomo pesado se divide en dos o más fragmentos más pequeños, liberando una gran cantidad de energía.
Esta reacción puede ser inducida por la captura de un neutrón por parte de un núcleo, o de manera espontánea debido a la inestabilidad del isótopo.
Los núcleos atómicos están compuestos por protones y neutrones. Los protones tienen carga positiva y tienden a repelerse entre sí, mientras que los neutrones no tienen carga. Estas partículas están unidas por la fuerza nuclear fuerte, que es mucho más intensa que la fuerza electromagnética que mantiene a los electrones alrededor del núcleo.
La fisión nuclear consiste en romper esta fuerza nuclear, lo que permite que los nucleones (protones y neutrones) se separen.
¿Cómo funciona la fisión nuclear?
La fisión nuclear es un proceso en el que el núcleo de un átomo pesado, como el uranio-235 o el plutonio-239, se divide en dos o más núcleos más ligeros, liberando una gran cantidad de energía.
Este proceso comienza cuando un neutrón libre impacta el núcleo de un átomo fisionable, provocando que el núcleo se vuelva inestable y se rompa. Al dividirse, el núcleo libera neutrones adicionales, que pueden seguir impactando otros núcleos, iniciando así una reacción en cadena.
La energía liberada en la fisión proviene de la pérdida de masa durante la división del núcleo, que se convierte en energía de acuerdo con la famosa ecuación de Einstein, \( E = mc^2 \). Los fragmentos resultantes de la fisión son productos de fisión, que son elementos químicos diferentes, y los neutrones liberados pueden ser utilizados para continuar el proceso.
En los reactores nucleares, esta reacción controlada genera calor que se convierte en energía eléctrica. Sin embargo, en armas nucleares, la fisión ocurre de manera incontrolada, liberando una enorme explosión de energía.
Generación de energía en la fisión nuclear
La energía liberada en la fisión nuclear proviene de la conversión de una pequeña cantidad de masa en energía, según la ecuación de Einstein, \( E = mc^2 \), donde:
- E es la energía obtenida,
- m es la masa "perdida" durante la fisión,
- c es la velocidad de la luz en el vacío (299,792,458 m/s).
Esta energía se libera en forma de calor, que se puede aprovechar en reactores nucleares para la generación de electricidad.
El elemento químico en la fisión nuclear
El material fisionable utilizado en las reacciones nucleares suele ser uranio-235 (U-235) o plutonio-239 (Pu-239).
Estos isótopos son inestables debido a la gran cantidad de protones en sus núcleos, lo que hace que la estructura atómica sea propensa a la fisión cuando interactúa con un neutrón. Los isótopos son versiones de un mismo elemento con diferentes números de neutrones, y la fisión generalmente ocurre cuando un neutrón impacta un átomo de uranio-235 o plutonio-239, desencadenando una cadena de reacciones.
Reacciones en cadena
La fisión nuclear puede producir una reacción en cadena.
En este proceso, los neutrones liberados por una fisión inducen nuevas fisiones en otros átomos, generando más neutrones y liberando más energía. Los neutrones resultantes pueden ser absorbidos por otros átomos de combustible, lo que mantiene la reacción en marcha. Esta cadena puede ser controlada o incontrolada:
- Controlada: En reactores nucleares, donde se regula la cantidad de neutrones mediante barras de control (hechas de materiales como boro o cadmio que absorben neutrones), lo que permite mantener la reacción en un nivel constante y seguro.
- Incontrolada: En una explosión nuclear, como en las bombas atómicas, donde la reacción se acelera sin control y se libera una enorme cantidad de energía de manera rápida y destructiva.
Masa crítica y control de la reacción
La masa crítica es la cantidad mínima de material fisionable que es necesaria para que la reacción en cadena sea autosostenible.
Si el material fisionable es menor que la masa crítica, los neutrones se pierden más rápido de lo que se generan, y la reacción se detiene. La cantidad de masa crítica depende de factores como la geometría del material, su pureza y sus propiedades físicas.
Fisión nuclear espontánea
En la fisión nuclear espontánea, un átomo puede dividirse sin la necesidad de que un neutrón lo impacte. Este fenómeno ocurre naturalmente en algunos isótopos, como el plutonio-239, que tiene una tasa de fisión espontánea más alta que el uranio-235. Aunque este proceso es raro, puede contribuir a la actividad radiactiva de ciertos materiales.
Aplicaciones de la fisión nuclear
La fisión nuclear tiene diversas aplicaciones:
- Generación de electricidad: En las centrales nucleares, la energía liberada en la fisión se utiliza para calentar agua y producir vapor, que mueve las turbinas generadoras de electricidad.
- Propulsión de submarinos nucleares: Los submarinos nucleares utilizan reactores de fisión para generar energía y permitir que los submarinos operen durante largos períodos sin necesidad de reabastecimiento de combustible.
- Bombas atómicas: La fisión nuclear también se utiliza en armas nucleares, donde las reacciones descontroladas causan una liberación masiva de energía.
- Producción de plutonio: A través de la irradiación de uranio-238, se puede producir plutonio-239 en reactores nucleares, un proceso clave en la fabricación de combustibles nucleares y armas nucleares.
Fusión vs. Fisión
Es importante no confundir la fusión nuclear con la fisión nuclear. La fusión implica la unión de dos núcleos ligeros para formar uno más pesado, liberando energía en el proceso, como ocurre en el Sol. En cambio, la fisión implica la división de un núcleo pesado en fragmentos más pequeños, liberando energía. La fusión nuclear todavía enfrenta desafíos técnicos significativos para su uso práctico en la generación de energía, mientras que la fisión se utiliza ampliamente en la actualidad.
En resumen, la fisión nuclear es una reacción poderosa y compleja que no solo nos proporciona una fuente significativa de energía, sino que también plantea desafíos importantes en cuanto a seguridad y manejo de residuos radiactivos.