Central nuclear de Isar, Alemania

Piscina de combustible nuclear gastado

Turbina de una central nuclear

Fisión nuclear

Fisión nuclear

La fisión nuclear es la reacción físico-química mediante la cual se parte el núcleo de un átomo. En principal interés de las reacciones de fisión es que mediante esta operación se obtiene una gran cantidad de energía. La energía nuclear es la energía contenida en el núcleo de un átomo y la energía que se obtiene es energía térmica, energía en forma de calor.

La otra forma de aprovechamiento es mediante las reacciones de fusión nuclear. En este caso, el proceso es inverso, se fusiona dos núcleos diferentes formando un único núcleo atómico.

Después de la fisión del núcleo atómico obtenemos diversos fragmentos con una masa casi igual a la mitad de la masa original más dos o tres neutrones. Es destacable la liberación de estos dos o tres neutrones porqué son los que permitirán una nueva reacción en otro átomo.

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. La energía obtenida se presenta en forma de calor; es, por lo tanto, energía térmica.

La fisión nuclear puede ocurrir cuando un núcleo de un átomo pesado captura un neutrón (fisión inducida), o puede ocurrir espontáneamente debido a la inestabilidad del isótopo (fisión espontánea).

El material utilizado como combustible nuclear tiene una estructura atómica muy inestable. Generalmente se utiliza uranio y plutonio. Las características de estos átomos es que son muy pesados, con una gran cantidad de protones con carga positiva en el núcleo. Al tener tantos protones con carga positiva al núcleo le cuesta mucho mantener los enlaces de fuerzas para mantenerlos unidos. Por este motivo, el choque con un único neutrón es suficiente para desestabilizar toda la estructura y romperse.

Reacciones de fision nuclear en cadena

Esquema de una cadena de reacciones nucleares de fisión

Una reacción en cadena es un proceso mediante el cual los neutrones que se han liberado en una primera fisión nuclear producen una fisión adicional en al menos un núcleo más. Este núcleo atómico, se fisiona y libera a su vez más más neutrones dando la oportunidad a que el proceso se repita.

Estas reacciones en cadena pueden ser controladas o incontroladas. Las reacciones controladas serían las reacciones nucleares producidas en el reactor nuclear de una central nuclear en que el objetivo es generar energía eléctrica de forma constante y equilibrada. Las reacciones nucleares incontroladas se dan en el caso de armas nucleares en las que el objetivo es generar una gran cantidad de energía en un instante.

Si en cada reacción de fisión nuclear 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.

Masa crítica

La masa crítica es la cantidad mínima de material fisionable para que se mantenga una reacción nuclear en cadena.

Aunque en cada fisión nuclear se producen entre dos y tres neutrones, no todos neutrones están disponibles para continuar con la reacción de fisión; algunos se pierden. Si los neutrones liberados por cada reacción nuclear se pierden a un ritmo más rápido de lo que se forman por la fisión, la reacción en cadena no será autosostenible y se detendrá.

La cantidad de masa crítica de un material fisionable depende de varios factores: propiedades físicas, propiedades nucleares, de su geometría y de su pureza.

Una esfera tiene la superficie mínima posible para una masa dada, y por tanto, reduce al mínimo la fuga de neutrones. Si además bordeamos el material fisionable con un reflector de neutrones se pierden muchos menos neutrones y se reduce la masa crítica.

A pesar que el uranio se puede encontrar de forma natural, el uranio que se utiliza en los reactores nucleares es lo que se llama uranio enriquecido. El uranio enriquecido es el uranio que ha sido sometido a un tratamiento para convertirlo en un isótopo más inestable. Se denomina isótopos a los átomos de un mismo elemento, cuyos núcleos tienen una cantidad diferente de neutrones y, por lo tanto, difieren en número másico.​

La fisión nuclear controlada

Esquema sobre como se controlan los neutrones liberados para controlar la reacción de fisión en cadena

Para mantener un control sostenido de reacción nuclear, por cada 2 o 3 neutrones puestos en libertad, sólo a uno se le debe permitir chocar con 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 se utilizan elementos de absorción de neutrones. La mayoría de los reactores nucleares de potencia son controlados por medio de barras de control hechas de un material que tenga la propiedad de absorber neutrones libres, por ejemplo, boro o 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 nucleares 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 las barras de control.

Fisión nuclear espontánea

En las reacciones de fisión nuclear espontánea no es necesaria la absorción de un neutrón 

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. En determinados isótopos del uranio, y sobre todo del plutonio, tienen una estructura atómica tan inestable que se fisiona espontáneamente.

Video sobre la fisión nuclear

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Referencias

Última revisión: 15 de marzo de 2019