La fisión nuclear es el proceso mediante el cual el núcleo de un átomo pesado se divide en dos o más núcleos de átomos más ligeros.
Si durante algún evento físico un el núcleo de un átomo pesado se divide en uno o varios núcleos de átomos más ligeros, estamos en presencia de un evento de fisión nuclear. Este proceso ocurre de manera exotérmica, es decir, se liberan enormes cantidades de energía. Pero la energía no es lo único que se genera como subproducto de la fisión, además son emitidas partículas alfa y beta y rayos gamma.
Historia de la fisión nuclear
El proceso de fisión se atribuye a los científicos alemanes Otto Hahn y Lise Meitner. En 1938, un grupo de investigadores alemanes dirigidos por los mencionados anteriormente, identificaron el elemento bario en un proceso de escisión del núcleo de uranio.
Los primeros estudios acerca de la fusión nuclear estaban basado en los resultados obtenidos por los descubridores de la radioactividad, el matrimonio Pierre y Marie Curie. Con un análisis más cuidadoso, Otto Hahn y Lise Meitner observaron un elemento de número atómico intermedio en una muestra de uranio que fue bombardeado con neutrones. A partir de esto, fue posible deducir que, si el uranio era bombardeado con neutrones, este absorbía uno de ellos provocando que un núcleo se dividiera en dos fragmentos emitiendo una gran cantidad de energía. Con los resultados de estos estudios se había descubierto la fisión nuclear, y Otto Hahn recibió el premio nobel de física.
Proceso de fisión nuclear
Como se mencionaba anteriormente, el proceso de fisión nuclear es exotérmico, por ende, se libera energía durante la reacción. La cantidad de energía liberada es sumamente superior a la que se libera durante reacciones exotérmicas convencionales. La energía que se emite durante la fisión puede ser en forma de radiación gamma, o energía sienta de los fragmentos obtenidos en la fisión. Esta última es aprovechada para calentar la materia alrededor del espacio donde ocurre la fisión.
En estado natural los elementos químicos son estables y no se desintegran naturalmente. El objetivo de la fisión es inducir un estado inestable en un átomo. Cuando se bombardea un átomo de un elemento fisionable, este se vuelve inestable, y en el intento natural de encontrar una estabilidad se parte en dos núcleos. Como producto de esta rotura se obtendrán dos núcleos más pequeños, neutrones libres y algunos fotones.
Isótopos
A los nuevos núcleos generados por la fisión se les conoce como isótopos. Un átomo tiene cierta cantidad de protones en el núcleo, que es el que determina su número atómico y posición en la tabla periódica. Todo el átomo de un elemento químico tiene la misma cantidad de protones en el núcleo. En la envoltura no siempre es así, ya que diferentes átomos de un mismo elemento pueden tener diferentes cantidades de neutrones en la envoltura.
Los isótopos son átomos de un elemento que tienen una cantidad diferente de neutrones. El número másico de un átomo está determinado por la suma entre protones y neutrones. Por tanto, los isótopos también tendrán diferente número másico. No podéis confundiros, los isótopos siguen siendo parte de un mismo elemento químico, aunque sean diferentes entre sí.
Cadena de desintegración
Los productos generados por la fisión son isótopos altamente radiactivos e inestables. Nuevamente estos nuevos átomos intentarán buscar la estabilidad y se volverá a fisionar en otros átomos. Este proceso se conoce como cadenas de desintegración, donde los isótopos de una reacción de fisión, se continuarán fisionando en varios isótopos, y estos en otros, y así sucesivamente hasta que se desintegren o lleguen a isótopos estables.
El tiempo que demora en fisionarse o desintegrarse un isótopo se conoce como vida media. Existen isótopos que pueden ser fisionables y se podrían considerar como isótopos inestables. Pero como la vida media de estos isótopos es muy grande, incluso en algunos casos son de hasta millones de años, estos isótopos para fines práctico son considerados como isótopos estables.
Inducción de la fisión nuclear.
La fisión nuclear puede ser recreada por varios métodos artificiales. El mecanismo más utilizado es el de bombardear un núcleo de un elemento fisionable con un neutrón libre. Durante este bombardeo, el núcleo del elemento absorbe el electrón libre y se vuelve inestable fisionándose en núcleos más ligeros. También puede lograse la fisión nuclear lanzando otros tipos de partículas contra los núcleos de los elementos fisionables. Estas partículas puede ser protones, otros núcleos y fotones de alta energía.
Para lograr una fusión de alto rendimiento es necesario contar con elementos muy pesados. Entre más pesado sea el elemento, más fácil es de inducir su fisión y requerirá menos energía. Los elementos más pesados que el hierro desprenderán energía durante la fisión, y los más ligeros que este absorberán energía.
Los elementos químicos más utilizados como combustible de la fisión nuclear son el uranio y el plutonio. De todos los elementos químicos que pueden ser encontrados de forma natural en el planeta, el uranio es el más pesado. La ventaja de usar plutonio radica en que este tiene un tiempo de vida medio bastante pequeño lo que hace posible que experimente desintegraciones espontáneas. En resumen, que estos dos elementos poseen la mejor combinación en cuanto a abundancia y facilidad de fisión de todo el planeta.
Reacción en cadena
Como ya explicamos anteriormente, un evento de fisión nuclear necesita de un neutrón libre para que ocurra. Además, después de ocurrir la fisión se liberan, en conjunto con otras partículas, neutrones libres. Pues, ¿qué ocurre si estos electrones libres chocan con otros átomos del elemento que se está fisionando? Como es de suponer, si estos neutrones impactan otros núcleos y son absorbidos por estos, se inducirá otro proceso de fisión en este núcleo el cual liberar neutrones libres, además. Estos nuevos neutrones tendrán el mismo destino que los anteriores y así sucesivamente.
A este proceso se le conoce como reacción en cadena, y ocurre cuando es posible mantener una fisión controlada de los núcleos de un elemento sin necesidad de una emisión constante de neutrones. Para que ocurra la reacción en cadena es necesario controlar la velocidad de los neutrones que se emiten en cada proceso de fisión. Si los neutrones libres emitidos viajan a velocidades muy altas, pues simplemente podrán atravesar los núcleos sin que estos puedan absorberlos y fisionarse.
Moderadores
Para lograr controlar las velocidades de los neutrones emitidos durante la fusión y así sostener la reacción en cadena se utilizan los moderadores. Generalmente los neutrones emitidos durante el proceso de fisión tienen velocidades muy altas y no generarán una fisión en los otros núcleos. Por tanto, es necesario agregar algo al proceso que ralentice los neutrones y estos puedan ser absorbidos, este material el conocido como moderadores.
El proceso más utilizado es el de hacer pasar los neutrones por un material de peso atómico bajo. Imaginaos que disparamos un arma contra un gran bloque de gelatina. Pues como es lógico las balas saldrán de dicho bloque a menor velocidad de la que entraron. Pues el principio de los moderadores es el mismo.
Para que un material pueda ser utilizado como moderador de cumplir ciertas características. Primeramente, deben tener un peso atómico muy bajo para evitar que los electrones al chocar con los átomos del moderador induzcan cualquier tipo de fisión. Además, deben tender una tendencia prácticamente nula de absorber neutrones. Los moderadores más utilizados son el hidrógeno, deuterio, berilio y carbono. De estos, el mejor tecnológicamente hablando es el deuterio, pero el grafito (una forma del carbono) es el más económico de todos.
