Fisión nuclear

Fig. 1. Modelo de una reacción de fisión del uranio-235. Nótese que ésta es sólo una de las muchas reacciones de fisión posibles.

La fisión nuclear es el proceso de separación de núcleos (generalmente) grandes. Cuando los núcleos grandes, como el uranio-235, se fisionan, se libera energía. Se libera tanta energía que se produce una disminución medible de la masa, a partir de la equivalencia masa-energía. Esto significa que parte de la masa se convierte en energía. La cantidad de masa perdida en el proceso de fisión equivale a unos 3.20×10⁻¹¹ J de energía. Este proceso de fisión ocurre generalmente cuando un núcleo grande que es relativamente inestable (lo que significa que hay algún nivel de desequilibrio en el núcleo entre la fuerza de Coulomb y la fuerza nuclear fuerte) es golpeado por un neutrón térmico de baja energía. Además de crearse núcleos más pequeños cuando se produce la fisión, ésta también libera neutrones.

Enrico Fermi dividió originalmente los núcleos de uranio en 1934. Creía que se podían producir ciertos elementos bombardeando el uranio con neutrones. Aunque esperaba que los nuevos núcleos tuvieran un número atómico mayor que el del uranio original, descubrió que los núcleos formados eran radioisótopos de elementos más livianos. Estos resultados fueron interpretados correctamente por Lise Meitner y Otto Frisch durante las vacaciones de Navidad. Para leer este encantador relato sobre la historia de la ciencia nuclear, consulte este artículo.

¿De dónde procede la energía?

La enorme energía que se libera de esta división proviene de la fuerza de Coulomb con la que se repelen los protones, que apenas se mantienen unidos por la fuerza fuerte. Cada protón está empujando a los demás protones con unos 20 N de fuerza, aproximadamente la fuerza de una mano apoyada en la falda de una persona. Se trata de una fuerza increíblemente enorme para unas partículas tan pequeñas. Esta enorme fuerza sobre una pequeña distancia conduce a una buena cantidad de energía liberada que es lo suficientemente grande como para causar una reducción medible de la masa. Esto significa que la masa total de cada uno de los fragmentos de fisión es menor que la masa del núcleo inicial. Esta masa que falta se conoce como defecto de masa.

Es conveniente hablar de la cantidad de energía que une a los núcleos. Todos los núcleos tienen esta energía de enlace excepto el hidrógeno (que sólo tiene 1 protón y ningún neutrón). Es útil pensar en la energía de enlace disponible para cada nucleón y esto se llama energía de enlace por nucleón. Esencialmente, se trata de la energía que se necesita por cada nucleón para separar un núcleo. Los productos de la fisión son más estables, lo que significa que es más difícil separarlos. Como la energía de enlace por nucleón de los productos de fisión es mayor, su masa nucleónica total es menor. El resultado de esta mayor energía de enlace y de esta menor masa es la producción de energía. Esencialmente, el defecto de masa y la energía de enlace nuclear son términos intercambiables.

Uso en la Generación de Energía

La fisión de los elementos más pesados es una reacción exotérmica. La fisión puede liberar hasta 200 millones de eV en comparación con la quema de carbón, que sólo da unos pocos eV. Sólo por este numero se entiende por qué la fisión nuclear se utiliza en la generación de electricidad. Además, la cantidad de energía liberada es mucho más eficiente por masa que la del carbón. La razón principal por la que se utiliza la fisión nuclear para la generación de electricidad es que, con la moderación adecuada y el uso de barras de control, los neutrones libres expulsados de la reacción de fisión pueden volver a reaccionar con el combustible. Así se crea una reacción nuclear en cadena sostenida, que libera cantidades de energía bastante continuas. Uno de los inconvenientes de la fisión como método de generación de electricidad es que los núcleos hijos resultantes son radiactivos. A continuación se muestra una simulación que muestra cómo los neutrones en un reactor dan lugar a eventos de fisión dentro de un haz de combustible. En la simulación, un destello rojo dentro de la barra de combustible significa que se ha producido un evento de fisión, mientras que un destello azul indica la absorción de neutrones.

Cuando se utiliza la fisión nuclear para generar electricidad, se habla de energía nuclear. En este caso, se utiliza uranio-235 como combustible nuclear y su fisión se desencadena por la absorción de un neutrón térmico de movimiento lento. Otros isótopos que pueden ser inducidos a la fisión de esta manera son el plutonio-239, el uranio-233 y el torio-232. Para los elementos más ligeros que el hierro en la tabla periódica, la fusión nuclear en lugar de la fisión nuclear produce energía. Sin embargo, actualmente no existe un método que nos permita acceder a la energía que podría producir la fusión.