Ciencias en General
Fisión nuclear
Eduardo Ghersman
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La fisión nuclear es la base del desarrollo de la energía nuclear, cuando un núcleo de uranio 235 es bombardeado con neutrones, aun de baja energía, se produce una violenta inestabilidad que hace que el núcleo se divida en dos fragmentos aproximadamente iguales. Una reacción nuclear en cadena es posible porque aparte de los dos fragmentos liberados se emiten neutrones y en este caso particular del uranio 235 los neutrones son suficientes como para causar una nueva fisión. Con otros núcleos es frecuente utilizar gran cantidad de energía para producir la fisión, por ejemplo elementos tal como el radio o el bismuto necesitan ser bombardeados con partículas alfa de gran energía (40 Mev).En el otro extremo, elementos hechos por el hombre tal como el californio 252 produce fisión espontáneamente y no se necesita del bombardeo de neutrones, el californio 252 también emite neutrones durante la fisión.

El fenómeno de la fisión del uranio fue descubierto en Berlín por Hahn y Strassmann en 1939,que llevados por una evidencia químicas, como la producción de BARIO, sospecharon de la posibilidad de la división del núcleo de uranio en dos partes aproximadamente iguales, ellos comunicaron estos resultados a una colega, Lise Meitner que se escapa de Alemania a Suecia por las persecuciones, con su sobrino Otto Frisch discuten las implicaciones del experimento y prevén que unas de las consecuencias es la gran cantidad de energía liberada en el proceso de fision, Meitner y Frisch sugirieron que la energía liberada durante la reacción era del orden de 200 Mev.

El físico italiano Enrico Fermi escapado de Italia llega a duras penas a los Estados Unidos en enero de 1939,al mismo tiempo que las nuevas noticias del descubrimiento de la fisión del uranio. Los acontecimientos fueron comunicados a Niels Bohr, que aprecio inmediatamente los fundamentos de la fisión, el también viajo a los Estados Unidos y transmitió la noticia en forma apurada a la Universidad de Columbia y deseo discutir el tema con Fermi, la reacción era tan violenta que los neutrones liberados podrían producir otras fisiones y el proceso se repetiría, si las circunstancias son suficientemente favorables una gran cantidad de energía se liberaría.

El proceso de la fisión se muestra en la siguiente figura:( el lector puede ver una figura describiendo el mismo proceso en FISION (1) )

El núcleo de uranio 235 absorbe un neutrón térmico, produciéndose un núcleo de uranio 236,este núcleo se fisiona y se separa en dos fragmentos, además se emite dos neutrones ,estos fragmentos son de Xe-140(Xenon) y de Sr-94(Estroncio).La ecuación que describe este proceso, es una igualdad que representa la reacción nuclear, en el primer miembro se escriben los cuerpos que reaccionan y en el segundo los que se producen, el signo de la igualdad se sustituye a menudo por una flecha cuya dirección indica el resultado obtenido:

La primera ecuación describe el proceso de absorción de un neutrón por el nucleo de U-235 transformándose en U-236 y la segunda, la fisión del U-236 en Xenon, Estroncio y 2 neutrones. Los fragmentos de Xe-140 y Sr-94 son ambos muy inestables, llegando finalmente a productos estables por medio de la emisión de partículas beta.

La idea básica de la liberación de energía nuclear es simple, se colocan los núcleos atómicos próximos unos de otros, de manera que una reacción en cadena se desarrolle entre ellos, produciendo nuevos núcleos, cuyas masas son menores que los núcleos originales .Los nuevos núcleos se mueven con una engría que es igual a la masa que desapareció durante el cambio.

Mientras que el principio es simple, la aplicación a la practica demanda un gran esfuerzo técnico y científico. El siguiente dibujo refleja en forma muy esquemática, una reacción en cadena:

En el mismo FF son los fragmentos y N son los neutrones que se originan durante cada fisión del U235.

Aunque la idea de la liberación de energía del uranio es simple, la puesta en practica es muy compleja y tiene muchas dificultades, esto llevo a los científicos y técnicos a trabajar durante 20 anos para utilizarla, los sistemas utilizados son muy diferentes de los hornos donde se quema carbón o gas.

Como sucede con otros elementos el uranio tiene sus propiedades, algunas de las cuales hace que su tratamiento sea dificultoso. El uranio natural consiste en una mezcla de dos isótopos, es decir, dos tipos de átomos con las mismas propiedades químicas, pero diferentes masas, estos son el uranio 238 y el uranio 235,este ultimo presente en una proporción de 1 parte en 140 y como vimos es el responsable de la fisión (la creación de nuevos elementos tal como el plutonio y de un isótopo, el uranio 233,permite utilizarlos como al uranio 235).Cuando se extrae uranio, el U 238 esta presente en gran proporción y este reacciona con los neutrones absorbiéndolas fuertemente, por lo tanto, los neutrones libres en un cuerpo de uranio tienen pocas probabilidades de producir fisión por dos razones: en dicho cuerpo el U 235 esta muy diluido y el U 238 presente en gran proporción, los absorbe, por este motivo una reacción en cadena no se desarrollara en forma espontánea en un cuerpo de uranio natural puro. Evidentemente una forma de realizar una reacción en cadena que se mantenga es sacando el U 238 del U 235,la separación es dificultosa pero posible.

El uranio se combina con el flúor, formando un gas que es muy corrosivo y tiene muchas dificultades en tratar, en dicho gas hay moléculas que poseen U 235 y otras U 238 este ultimo al ser mas pesado tiende a quedarse atrás, cuando se difunde al gas a través de una membrana porosa. Si se repite este proceso, reciclándolo, de manera que pase por muchas membranas, las moléculas que poseen U 238 son gradualmente extraídas y U 235 se va purificando. Como la diferencia de masa del U 235 y del U 238 es muy pequeña, el gas debe ser reciclado millones de veces, esto requiere una planta purificadora enorme, con canos de grandes distancias y miles de bombas; realizar una membrana porosa muy fina y que resista el ataque del gas hexafluoruro es técnicamente muy dificultoso. Al trabajar con uranio se corre riesgos de salud, por ser este radiactivo ( lo mismo ocurre con el gas, que puede causar danos en el hombre).Una planta de difusión es enorme y requiere la solución de problemas de metalurgia y de materiales en general, esta debe ser operada en forma automática por la cantidad de repeticiones y problemas de seguridad ( esta planta en si es tan peligrosa como un reactor nuclear, tenga en cuenta el lector que sucedería con el medio ambiente si se produjera una fuga seria, por lo tanto se deben tomar estrictas medidas de seguridad),dimensiones típicas de tal planta son 122 metros de ancho por 1.6 kilómetros (!) de largo. Los plásticos utilizados en la planta son del tipo fluoroteno, el cual es resistente a la corrosión del hexafluoruoro de uranio y se utiliza en bombas y canos, las barreras porosas deben ser finas y fuertes y los poros tener una dimensión de 10 milésimas de pulgada, las miles de bombas requieren gran cantidad de energía eléctrica para su accionamiento y sistemas de muestreo automático del material a tratar y su posterior análisis por medio de espectrógrafos de masa. El porcentaje de U 235 en uranio debe ser elevado hasta que el metal consista de casi solo U 235,en un cuerpo esférico de tal material se desarrolla una reacción en cadena que asegure una cantidad suficiente de neutrones que realicen fisiones antes de escapar fuera del cuerpo, si las dimensiones del cuerpo son menores de la llamada DIMENSIÓN CRITICA la reacción en cadena no se mantiene; los neutrones liberados salen a una velocidad de 15000 kilómetros por segundo y recorren algunos centímetros en uranio 235 puro antes de iniciar una nueva fisión por lo tanto la reacción en cadena se desarrolla a enorme velocidad.

Este es el principio del reactor rápido, la dimensión critica necesaria para desarrollar una reacción en cadena es realmente pequeña, el control de una reacción, en cual los neutrones viajan a tal velocidad parece algo imposible, pero esto se realiza fácilmente, tomando ventaja de la propiedad de que en la fisión del uranio, los neutrones no se liberan inmediatamente, sino que tardan algunos segundos y esto da suficiente tiempo para prevenir la creación de un exceso de neutrones, moviendo partes dentro del reactor, esta deposición se realiza en forma automática, de manera que una reacción en cadena pueda ser mantenida a un limite de intensidad exacto por largo tiempo. Los neutrones lentos son mas efectivos que los rápidos en producir una fisión y si a estos se les disminuye aun mas esta velocidad producen mas rápidamente fisiones que la resultante de neutrones absorbidos por el U 238,el efecto de los neutrones sobre el U 235 y el U 238 depende de sus velocidades, a determinada velocidad algunos reacción mas rápidamente que otros y si el núcleo resuena cuando recibe un neutrón a dicha velocidad se pone a este en una condición de fácil reacción.

Fermi demostró en 1935 que a los neutrones se les puede disminuir la velocidad, haciéndolos chocar contra elementos livianos tal como el hidrogeno, el berilo o el carbón, de las leyes de la mecánica surge que las partículas elásticas pierden mucho menos su momento cuando chocan contra partículas mas pesadas que cuándo lo hacen contra mas livianas, un material usado para disminuir la velocidad se de nomina MODERADOR. Fermi utilizo este descubrimiento del moderador para producir LA PRIMERA REACCION en cadena nuclear en 1942.

(1)   Dibujo de la pagina Nuclear Energy

(2)   Si al lector le ha gustado esta pagina, puede consultar mas sobre el tema en la siguiente pagina : EL DESARROLLO DE LA PRIMERA REACCION EN CADENA ,es una descripción histórica del experimento realizado por Fermi, para demostrar la utilización de la energía nuclear.,

¿Qué es la ciencia? - Epistemología de Carl Popper - La Ciencia y el Método Científico - Manipulación del clima con fines militares - El  análisis de ADN


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