En el centro de cada átomo se encuentra el núcleo, que constituye más del \(99\%\) de su masa. Está formado por neutrones y protones, que se mantienen unidos por una fuerza nuclear fuerte. Los átomos más pesados están formados por núcleos más pesados; es decir, hay más protones y neutrones.
Estos pequeños componentes son los responsables de algunas de las reacciones más energéticas (y destructivas) que se producen en la Tierra. Desde que el ser humano se enteró de que los núcleos pueden separarse o fusionarse, sentimos curiosidad por comprender las energías que intervienen en estas reacciones. En este artículo hablaremos de la división de núcleos, también conocida como fisión nuclear.
¿Qué es la fisión nuclear?
La fisión es el proceso en el que un núcleo pesado (un átomo con una masa muy elevada), se desintegra. El proceso de desintegración rompe el átomo original y lo convierte en un elemento más ligero.
Fig. 1: Proceso de fisión nuclear.
Reacciones de fisión nuclear
Algunos átomos pesados son inestables y mantienen su estabilidad emitiendo partículas radiactivas, como las alfa y beta, lo que se produce de forma espontánea y aleatoria.
Los núcleos grandes también pueden volverse más estables al dividirse en dos núcleos más pequeños. Este proceso, que no es aleatorio, se conoce como fisión nuclear. Tal y como hemos visto, es necesario que un neutrón colisione con el núcleo pesado para que se produzca la división. Después de que el neutrón colisione con el núcleo, este se vuelve inestable. El núcleo se divide, entonces, en dos núcleos más pequeños (de tamaño similar) y libera dos o tres neutrones en el proceso, junto con grandes cantidades de energía en forma de rayos gamma.
Los núcleos más pequeños, conocidos como productos de fisión, suelen ser también inestables, y pueden liberar partículas alfa o beta para alcanzar la estabilidad. Parte de la energía que se libera lo hace en forma de energía cinética de los productos de fisión.
Veamos un ejemplo acerca de cómo se produce la fisión:
La figura siguiente es un ejemplo de la fisión del uranio-235 en bario-139 y criptón-95.
Fig. 2: Fisión del uranio-235.
Después de que un núcleo de uranio-235 es golpeado por un neutrón, este se divide en bario-139 y criptón-95.
En este proceso se liberan dos neutrones y \(200 \, \,\mathrm{MeV}\) de
energía.
Se dispara un neutrón en un núcleo estable de uranio-235, haciéndolo momentáneamente inestable. A continuación, este se divide en bario-139 y criptón-95, que son núcleos más pequeños. En el proceso se liberan dos neutrones y \(200\, \mathrm{MeV}\) de energía. Los núcleos de bario y criptón pueden sufrir desintegración alfa y beta y formar núcleos aún más pequeños. Los productos de la fisión (bario, criptón y núcleos) tienen todos algo de energía cinética después de producirse la fisión.
Diagrama de fisión nuclear
Los neutrones en movimiento son los responsables de que se produzca la fisión, y los productos de fisión incluyen neutrones con energía cinética. Estos neutrones producidos pueden utilizarse para provocar otras fisiones nucleares. Este proceso se denomina reacción nuclear en cadena.
En el ejemplo anterior, el uranio-235 se fisiona para formar bario-139 y criptón-95 y dos neutrones. Estos dos neutrones pueden provocar la fisión de otros dos núcleos de uranio, lo que produce cuatro neutrones que pueden provocar cuatro fisiones. Por tanto, el número de fisiones crecerá exponencialmente con el tiempo. Esto se denomina reacción en cadena incontrolada y puede liberar una enorme cantidad de energía en poco tiempo.
Este es el principio que se empleó para construir la bomba atómica. Una pequeña cantidad de uranio en fisión puede destruir una ciudad entera.
Si lográramos controlar el número de neutrones producto usados para iniciar nuevas fisiones, podríamos controlar la cantidad total de energía que se libera. Pero, si solo se emplea un neutrón producto para provocar la fisión de un núcleo, se controla la reacción en cadena. Así es como se crean los reactores de fisión nuclear con uranio. El siguiente diagrama de fisión muestra la reacción en cadena no controlada que se produciría por la fisión del uranio-236.
Fig. 3: Reacción nuclear de fisión en cadena. El uranio-236 se fisiona para producir bario-144 y criptón-89. Los dos neutrones producidos se utilizan para provocar la fisión de otros dos núcleos de uranio-236. El proceso continúa en cadena no controlada.
Productos formados por el proceso de fisión
El proceso de desintegración produce átomos más ligeros; posiblemente, partículas libres; y, también, algo de energía residual en forma de fotones procedentes del proceso de ruptura. Los productos liberados por el proceso de fisión dependen de cada reacción. Las velocidades de las partículas y las energías no son las mismas, al igual que los productos formados; sin embargo, se puede estimar que los productos formados se dividirán y tendrán casi la misma masa. Estos productos son elementos pesados y de naturaleza radiactiva. En algunos casos, la reacción no solo produce dos productos menores, radiación y neutrones, sino también partículas alfa o tritio.
Asimismo, los productos formados sufrirán un proceso de desintegración espontánea, y liberarán más partículas y energía. En los reactores nucleares, los productos liberados son lo que se conoce como residuos nucleares.
La energía liberada durante el proceso de fisión
Durante un proceso de fisión se libera energía de dos formas:
La energía cinética, que reciben los neutrones producidos y los productos liberados.
Fotones de alta energía (rayos gamma).
Los fotones de alta energía, como la energía cinética de los neutrones y las otras partículas producidas, se convierten en energía residual a medida que se ralentizan. La energía residual de estas reacciones y colisiones se utiliza, entonces, para producir trabajo. En este caso, la energía residual es calor que se usa en los reactores nucleares para crear altas temperaturas y vapor presurizado.
Ejemplo de fisión nuclear
Primero, debemos recordar que el símbolo de cualquier átomo neutro se escribe de la siguiente manera:
\[^A_Z X\]
Donde:
- \(Z\) es el número atómico y representa el número de protones en el núcleo de este átomo.
- \(A\) es el número másico que representa el número de protones y neutrones en el núcleo.
Ahora, si consideramos el ejemplo anterior de la división del uranio-235 en bario-139 y criptón-95, podemos escribir una ecuación para la reacción que represente el equilibrio de los reactantes y los productos; esto se llama ecuación nuclear. La ecuación para el ejemplo descrito tiene el siguiente aspecto: la masa y los números atómicos, en ambos lados de una ecuación nuclear, deben equilibrarse para que se produzca la reacción nuclear:
\[^1_0n+^{236}_{\phantom{2}92}U \rightarrow ^{139}_{\phantom{9}56}Ba+^{95}_{36}Kr+2^1_0n\]
Observa que esta ecuación contiene una flecha hacia la derecha, en lugar del símbolo de igualdad.
Los reactivos están en el lado izquierdo de la flecha y los productos en el derecho. Los números atómicos y los números de masa a ambos lados de esta ecuación se equilibran, lo que significa que la fisión puede producirse efectivamente de esta manera.
El siguiente ejemplo muestra cómo se puede escribir otra ecuación nuclear:
\(^{235}_{\phantom{1}92}U\) puede absorber un neutrón y sufrir una fisión nuclear, produciendo \(^{144}_{\phantom{1}56}Ba\), \(^{89}_{36}Kr\), y tres neutrones. Escribe la ecuación nuclear para esta reacción de fisión.
Solución:
La ecuación nuclear debe contener todos los reactivos y productos y debemos asegurarnos de que los números de masa y los números atómicos estén equilibrados a ambos lados de la ecuación.
Podemos escribir la ecuación como:
\[^1_0n+^{235}_{\phantom{2}92}U \rightarrow ^{144}_{\phantom{9}56}Ba+^{89}_{36}Kr+3^1_0n\]
Esta es la ecuación correcta y equilibrada para esta reacción de fisión.
Ahora, comprobemos que es una ecuación equilibrada, comparando los números atómicos \(Z\), del lado izquierdo (LHS) y del lado derecho (RHS) de la ecuación:
\[\begin{aligned} LHS:&\, Z=0+92=92 \\ RHS:& \,Z=56+36=92 \end{aligned}\]
Los números atómicos son (ambos) 92, por lo que efectivamente están equilibrados. Comprobemos, a continuación, los números másicos \(A\):
\[\begin{aligned} LHS:&\, A=1+235=236 \\ RHS:& \, A=144+89+3\cdot 1=236 \end{aligned}\]
Los números de masa también se equilibran, lo que es una consecuencia de la conservación de la masa.
Tipos de fisión nuclear
Hay dos tipos de fisión: la fisión inducida —que se utiliza actualmente en la tecnología nuclear— y la fisión espontánea —que es un tipo de desintegración radiactiva—.
Fisión inducida
La fisión inducida es lo que podríamos llamar una desintegración forzada. Durante la fisión inducida, se expulsan neutrones de movimiento lento contra un núcleo de material radiactivo pesado (como el uranio-235 o el plutonio-239). Los elementos empleados para estas reacciones se conocen como fisionables.
La ruptura de los elementos pesados producirá dos elementos más ligeros denominados productos de fisión. La reacción también emitirá otros neutrones y fotones de alta energía.
Fisión espontánea
La fisión espontánea es el proceso por el cual un núcleo pesado se desintegra sin ser forzado a hacerlo mediante la absorción de un neutrón adicional. Durante este tipo de evento, el átomo se divide en dos núcleos más ligeros, de masa casi idéntica y energía residual en forma de fotones.
La fisión espontánea se produce de forma natural en elementos de masa pesada —como el uranio-235 y el uranio-238—, ya que estos son naturalmente inestables y darán lugar a un proceso de desintegración radiactiva. A continuación, puedes ver el ejemplo de la reacción en el uranio-235. En esta reacción, el átomo se rompe sin necesidad de capturar un neutrón y se divide en torio y una partícula alfa (que es un núcleo de helio):
\[^{235}_{\phantom{2}92}U\rightarrow ^{231}_{\phantom{2}90}Th+^4_2He\]
La velocidad de desintegración en estos eventos está relacionada con la semivida del elemento radiactivo, que es el tiempo medio que tarda una determinada cantidad del material radiactivo en desintegrarse hasta la mitad de su masa original.
Reactores nucleares
El proceso de fisión se emplea en los reactores nucleares para producir energía eléctrica, también conocida industrialmente como energía nuclear. A continuación, describiremos brevemente el proceso.
- Como hemos mencionado, la fisión nuclear produce partículas y fotones de alta velocidad. Su ralentización y transmisión produce calor.
- El calor se transmite desde el núcleo del reactor a un fluido, que puede ser agua. Esta agua, que posee una presión y una temperatura elevadas, se desplaza a una tubería donde intercambia calor con otros fluidos.
- El nuevo fluido (que puede ser, de nuevo, agua) se convierte entonces en vapor, que se mueve a través de un sistema de tuberías.
- Las tuberías llevan el vapor a alta presión a una turbina, que utiliza el impulso de este vapor para moverse.
- La turbina girará a gran velocidad y, a través de un eje, transmitirá su energía cinética a un generador eléctrico.
- El generador producirá, entonces, electricidad.
Fig. 4: Los reactores nucleares son los encargados de producir lo que comunmente conocemos como energía nuclear. Esta energía es una de las más eficientes y limpias que tenemos, con la única desventaja de los residuos que genera.
Diferencia y similitud entre la fisión y la fusión nuclear
La siguiente tabla contiene algunas de las diferencias y similitudes entre la fisión nuclear y la fusión nuclear.
Diferencias entre la fisión y fusión | Similitudes entre la fisión y fusión |
La fisión es la división de núcleos y la fusión es la fusión de núcleos. | Tanto la fisión como la fusión son procesos nucleares que implican las interacciones de los núcleos atómicos.
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En la fisión suelen intervenir núcleos grandes, mientras que en la fusión intervienen núcleos más pequeños. | Las reacciones de fisión y fusión liberan energía.
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La fisión tiene productos radiactivos y la fusión no.
| Tanto la fisión como la fusión pueden usarse como fuentes de energía.
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Tabla 1: Algunas de las diferencias y las similitudes entre la fisión y la fusión nuclear.
Fisión inducida - Puntos clave
- La fisión nuclear se produce cuando los núcleos grandes e inestables se dividen en dos núcleos más pequeños (productos de fisión).
- En la fisión nuclear también se producen dos o tres neutrones, junto con una cantidad significativa de energía.
- El proceso se inicia cuando un neutrón en movimiento colisiona con el núcleo, lo que lo vuelve inestable.
- Los productos de fisión también pueden ser inestables, decaer y liberar partículas alfa o beta.
- Los productos de fisión ganan energía cinética después de la reacción.
- Los neutrones liberados pueden comenzar otras fisiones en un proceso llamado reacción en cadena.
- Las reacciones en cadena no controladas empiezan reacciones de fisión a un ritmo exponencial.
- Las reacciones en cadena controladas se producen cuando una reacción de fisión comienza solo otra reacción.
- Las centrales nucleares utilizan reacciones de fisión controladas para generar electricidad.
- Las ecuaciones nucleares pueden utilizarse para describir las reacciones de fisión.
References
- Fig. 2: Nuclear fission of uranium 235 (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Kernspaltung.svg) by Stefan-Xp (https://commons.wikimedia.org/wiki/User:Stefan-Xp) is licensed by CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)
- Fig. 3: Nuclear fission chain reaction (https://commons.ikimedia.org/wiki/File:Nuclear_fission_chain_reaction.svg) by MikeRun (https://commons.wikimedia.org/w/index.php?title=User:MikeRun&action=edit&redlink=1) is licensed by CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/)
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