Fisión nuclear
Frisch dio nombre al proceso por analogía con la fisión binaria de las células vivas.
[5][6] La mayoría de las fisiones son binarias (producen dos fragmentos cargados), pero ocasionalmente (de 2 a 4 veces por cada 1000 eventos), se producen tres fragmentos cargados positivamente, en una fisión ternaria.
La fisión espontánea fue descubierta en 1940 por Fliórov, Pétrzhak, y Kurchátov[7] en Moscú, en un experimento que pretendía confirmar que, sin bombardeo de neutrones, la tasa de fisión del uranio era despreciable, tal y como había predicho Niels Bohr; no era despreciable.
Sin embargo, los productos de la fisión nuclear son, por término medio, mucho más radiactivos que los elementos pesados que normalmente se fisionan como combustible, y permanecen así durante mucho tiempo, dando lugar a un problema de residuos nucleares.
El núcleo inestable entonces se partirá en dos o más pedazos: los productos de la fisión que incluyen dos núcleos más pequeños, hasta siete neutrones libres (con una media de dos y medio por reacción), y algunos fotones.
Los núcleos atómicos lanzados como productos de la fisión pueden ser varios elementos químicos.
Los elementos que se producen son resultado del azar, pero estadísticamente el resultado más probable es encontrar núcleos con la mitad de protones y neutrones del átomo fisionado original.
En las reacciones nucleares, una partícula subatómica colisiona con un núcleo atómico y provoca cambios en él.
Las reacciones nucleares son, por tanto, impulsadas por la mecánica del bombardeo, y no por el decaimiento exponencial relativamente constante y la vida media característica de los procesos radiactivos espontáneos.
Es suficiente para deformar el núcleo en una "gota" de doble lóbulo, hasta el punto de que los fragmentos nucleares superan las distancias a las que la fuerza nuclear puede mantener unidos dos grupos de nucleones cargados y, cuando esto ocurre, los dos fragmentos completan su separación y luego se separan aún más por sus cargas mutuamente repulsivas, en un proceso que se hace irreversible con una distancia cada vez mayor.
Un proceso similar ocurre en los isótopos fisionables (como el uranio-238), pero para poder fisionar, estos isótopos requieren energía adicional proporcionada por los neutrones rápidos (como los producidos por la fusión nuclear en las armas termonucleares).
En cualquier lugar de 2 a 4 fisiones por 1000 en un reactor nuclear, un proceso llamado fisión ternaria produce tres fragmentos cargados positivamente (más neutrones) y el más pequeño de ellos puede variar desde una carga y masa tan pequeña como un protón (Z = 1), hasta un fragmento tan grande como el argón (Z = 18).
Aunque con muy baja probabilidad, en los experimentos se han detectado eventos de fisión fría, es decir fragmentos con tan baja energía de excitación que no emiten neutrones.
La energía restante para iniciar la fisión puede ser suministrada por otros dos mecanismos: uno de ellos es más energía cinética del neutrón entrante, que es cada vez más capaz de fisionar un núcleo pesado fisionables a medida que supera una energía cinética de un MeV o más (los llamados neutrones rápidos).
Estos neutrones de alta energía son capaces de fisionar directamente el U-238 (véase la aplicación del arma termonuclear, donde los neutrones rápidos son suministrados por la fusión nuclear).
Por tanto, el combustible nuclear contiene al menos diez millones de veces más energía utilizable por unidad de masa que el combustible químico.
Esta fracción de producción es la que permanece cuando el reactor se apaga repentinamente (sufre un SCRAM).
La razón es que la energía liberada como antineutrinos no es captada por el material del reactor en forma de calor, y escapa directamente a través de todos los materiales (incluida la Tierra) a casi la velocidad de la luz, y al espacio interplanetario (la cantidad absorbida es minúscula).
Algunos procesos en los que intervienen los neutrones se caracterizan por absorber o producir finalmente energía: por ejemplo, la energía cinética de los neutrones no produce calor inmediatamente si el neutrón es capturado por un átomo de uranio-238 para generar plutonio-239, pero esta energía se emite si el plutonio-239 se fisiona posteriormente.
[18] La fisión nuclear de los átomos fue descubierta en 1938 por los investigadores Otto Hahn y Fritz Strassmann a partir del trabajo desarrollado por el propio Hahn junto a Lise Meitner durante años anteriores.
[4] Una reacción en cadena ocurre como sigue: un acontecimiento de fisión empieza lanzando 2 o 3 neutrones en promedio como subproductos.
Puesto que cada acontecimiento de fisión lanza 2 o más neutrones, y estos neutrones inducen otras fisiones, el proceso se acelera rápidamente y causa la reacción en cadena.
Si el material es gaseoso, es poco probable que los neutrones choquen con otro núcleo porque hay demasiado espacio vacío entre los átomos y un neutrón volaría probablemente entre ellos sin golpear nada.
Únicamente con juntar mucho uranio en un solo lugar no es suficiente como para comenzar una reacción en cadena.
Por lo tanto los elementos ligeros son los más eficaces como moderadores de neutrones.
Los moderadores posibles son entonces el hidrógeno, helio, litio, berilio, boro y carbono.
El helio es difícil de utilizar porque es un gas y no forma ningún compuesto.
El uranio natural se compone de tres isótopos: 234U (0,006%), 235U (0,7%), y 238U (99,3%).
Sin embargo los producidos por la fisión del uranio-235, de hasta 28 000 km/s, tienden a rebotar inelásticamente con él, lo cual los desacelera.
La diferencia relativamente pequeña en masa entre los dos isótopos hace, además, que su separación sea difícil.
