Fisión nuclear

En física nuclear, la fisión ye una reacción nuclear, lo que significa que tien llugar nel nucleu atómicu. La fisión asocede cuando un nucleu pesáu estremar en dos o más nucleos pequeños, amás de dalgunos subproducto como neutrones llibres, fotones (xeneralmente rayu gamma) y otros fragmentos del nucleu como partícules alfa (nucleos d'heliu) y beta (electrones y positrones d'alta enerxía).

Mecanismu

La fisión de nucleos pesaos ye un procesu exotérmico, lo que supón que se lliberar cantidaes sustanciales d'enerxía. El procesu xenera muncha más enerxía que la lliberada nes reacciones químiques convencionales, nes que tán implicaes les corteces electróniques; la enerxía emítese, tantu en forma de radiación gamma como d'enerxía cinética de los fragmentos de la fisión, que van calecer la materia que s'atope alredor del espaciu onde se produza la fisión.

La fisión puede inducise por dellos métodos, incluyendo'l bombardéu del nucleu d'un átomu fisionable con una partícula de la enerxía correuta; la partícula ye xeneralmente un neutrón llibre. Esti neutrón llibre ye absorbíu pol nucleu, faciéndolo inestable (a manera d'exemplu, podría pensase na inestabilidá d'una pirámide de naranxes nel supermercáu, al llanzase una naranxa contra ella a la velocidá correuta). El nucleu inestable entós va partise en dos o más cachos: los productos de la fisión qu'inclúin dos nucleos más pequeños, hasta siete neutrones llibres (con una media de dos y mediu por reacción), y dellos fotones.

Los nucleos atómicos llanzaos como productos de la fisión pueden ser dellos elementos químicos. Los elementos que se producen son resultáu del azar, pero estadísticamente la resultancia más probable ye atopar nucleos cola metá de protones y neutrones del átomu fisionado orixinal.

Los productos de la fisión son xeneralmente altamente radiactivos, nun son isótopos estables; estos isótopos entós aparren, por aciu cadenes de desintegración.

Fisión fría y frayatu de pares de nucleones

La mayor parte de les investigaciones sobre fisión nuclear basar na distribución de masa y enerxía cinética de los fragmentos de fisión. Sicasí, esta distribución ye alteriada pola emisión de neutrones per parte de los fragmentos enantes de llegar a los detectores.

Anque con bien baxa probabilidá, nos esperimentos detectáronse eventos de fisión fría, ye dicir fragmentos con tan baxa enerxía d'escitación que nun emiten neutrones. Sicasí, entá nesos casos, reparar el frayatu de pares de nucleones, la que se manifiesta como igual probabilidá de llograr fragmentos con númberu par o impar de nucleones. Los resultaos d'estos esperimentos dexen entender meyor la dinámica de la fisión nuclear hasta'l puntu de dixebra, esto ye, primero que s'esmoreza la fuercia nuclear ente los fragmentos.

Inducción de la fisión

La fisión nuclear de los átomos afayóse en 1938 polos investigadores Otto Hahn y Fritz Strassmann a partir del trabayu desenvueltu por el mesmu Hahn xunto a Lise Meitner mientres años anteriores. Por esti descubrimientu recibió en 1944 el Premiu Nobel de química. L'estudiu de la fisión nuclear considérase parte de los campos de la química nuclear y la física.

Anque la fisión ye práuticamente la desintegración de materia radiactivo, empezada de cutiu de la manera más fácil posible (inducíu), que ye l'absorción d'un neutrón llibre, puede tamién ser inducida llanzando otres coses nun nucleu fisionable. Estes otres coses pueden incluyir protones, otros nucleos, o entá los fotones de gran enerxía en cantidaes bien altes (porciones de rayu gamma).
Bien escasamente, un nucleu fisionable va esperimentar la fisión nuclear bonal ensin un neutrón entrante.
Cuanto más pesáu ye un elementu más fácil ye inducir el so fisión. La fisión en cualesquier elementu más pesáu que'l fierro produz enerxía, y la fisión en cualesquier elementu más llixeru que'l fierro rique enerxía. Lo contrario tamién ye verdá nes reacciones de fusión nuclear (la fusión de los elementos más llixeros que'l fierro produz enerxía y la fusión de los elementos más pesaos que'l fierro rique enerxía).
Los elementos más frecuentemente usaos pa producir la fisión nuclear son el uraniu y el plutoniu. L'uraniu ye l'elementu natural más pesáu; el plutoniu esperimenta desintegraciones bonales y tien un periodu de vida llindáu. Con éses anque otros elementos pueden ser utilizaos, estos tienen la meyor combinación de bayura y facilidá de fisión.

Reacción en cadena

Una reacción en cadena asocede como sigue: un acontecimientu de fisión empieza llanzando 2 ó 3 neutrones en permediu como subproductos. Estos neutrones escapar en direiciones al azar y cuten otros nucleos, afalando a estos nucleos a esperimentar fisión. Puesto que cada acontecimientu de fisión llanza 2 o más neutrones, y estos neutrones inducen otres fisiones, el procesu acelérase rápido y causa la reacción en cadena. El númberu de neutrones qu'escapen d'una cantidá d'uraniu depende del so área superficial. Solamente los materiales fisibles son capaces de sostener una reacción en cadena ensin una fonte de neutrones esterna. Por que la reacción en cadena de fisión llevar a cabu ye necesariu afaer la velocidá de los neutrones llibres, yá que si impacten con gran velocidá sobre'l nucleu del elementu fisible, pue que a cencielles travesar o lo impacte, y que esti nun lo absuerba.

Masa crítico

La masa crítico ye la mínima cantidá de material riquida por que'l material esperimente una reacción nuclear en cadena. La masa crítico d'un elementu fisionable depende del so densidá y de la so forma física (barra llarga, cubu, esfera, etc.). Puesto que los neutrones de la fisión emitir en direiciones al azar, pa maximizar les ocasiones d'una reacción en cadena, los neutrones tendrán de viaxar tan lloñe como seya posible y de esa forma maximizar les posibilidaes de que cada neutrón topete con otru nucleu. Asina, una esfera ye la meyor forma y la peor ye probablemente una fueya esplanada, yá que la mayoría de los neutrones volaríen de la superficie de la fueya y nun topetaríen con otros nucleos.

Tamién ye importante la densidá del material. Si'l material ye gaseosu, ye pocu probable que los neutrones topeten con otru nucleu porque hai demasiáu espaciu vacíu ente los átomos y un neutrón volaría probablemente ente ellos ensin cutir nada. Si'l material poner so alta presión, los átomos van tar muncho más cercanos y la probabilidá d'una reacción en cadena ye muncho más alta. L'alta compresión puede ser algamada poniendo'l material nel centru d'una implosión, o llanzando un cachu d'ella contra otru cachu d'ella bien fuertemente (con una carga esplosiva, por casu). Una masa crítico del material qu'empezó una reacción en cadena dizse que se convierte en supercrítica.

Moderadores

Namái con xuntar enforma uraniu nun solu llugar nun ye abondu como pa empezar una reacción en cadena. Los neutrones son emitíos por un nucleu en fisión a una velocidá bien elevada. Esto significa que los neutrones van escapar del nucleu primero que tengan oportunidá de cutir cualesquier otru nucleu (por cuenta de un efeutu relativista).

Un neutrón de movimientu lentu llámase neutrón térmicu y solamente esta velocidá del neutrón puede inducir una reacción de fisión. Con éses tenemos cuatro velocidaes de neutrones:

Un neutrón (non-térmicu) rápido va escapase del material ensin interacción;
Un neutrón de velocidá mediana va ser prindáu pol nucleu y va tresformar el material nun isótopu (pero nun induciría la fisión).
Un neutrón de movimientu lentu (térmicu) va inducir a un nucleu a qu'esperimente la fisión.
Un neutrón móvil realmente lentu va ser prindáu o va escapar, pero nun va causar fisión.

Dellos años enantes del descubrimientu de la fisión, la manera avezada de retrasar los neutrones yera faelos pasar al traviés d'un material de pesu atómicu baxu, tal como un material hidrogenoso. El procesu de retrasu o de moderación ye a cencielles una secuencia de choques elásticos ente les partícules d'alta velocidá y les partícules práuticamente en reposu. Cuanto más asemeyaes seyan les mases del neutrón y de la partícula cutida, mayor ye la perda d'enerxía cinética pol neutrón. Polo tanto los elementos llixeros son los más eficaces como moderadores de neutrones.

A unos cuantos físicos nos años 30 asocedióse-yos la posibilidá d'entemecer l'uraniu con un moderador: si fueren entemecíos correutamente, los neutrones d'alta velocidá de la fisión podríen ser retrasaos al rebotar nun moderador, cola velocidá correuta, pa inducir la fisión n'otros átomos d'uraniu. Les carauterístiques d'un bon moderador son: pesu atómicu baxu y baxa o nulu enclín a absorber los neutrones. Los moderadores posibles son entós l'hidróxenu, heliu, litiu, beriliu, boru y carbonu. El litiu y el boro absuerben los neutrones fácilmente, asina que s'esclúin. L'heliu ye malo d'utilizar porque ye un gas y nun forma nengún compuestu. La opción de moderadores taría entós ente l'hidróxenu, deuteriu, el beriliu y el carbonu. Fueron Enrico Fermi y Leó Szilárd quien propunxeron primero l'usu de grafitu (una forma de carbonu) como moderador pa una reacción en cadena. El deuteriu ye'l meyor tecnológicamente (introducíu nel agua pesao), sicasí'l grafitu ye muncho más económicu.

Efeutos de los isótopos

L'uraniu natural componer de tres isótopos: ²³⁴O (0,006%), ²³⁵O (0,7%), y ²³⁸O (99,3%). La velocidá riquida por que se produza un acontecimientu de fisión y non un acontecimientu de captura ye distinta pa cada isótopu.

L'uraniu-238 tiende a prindar neutrones de velocidá entemedia, creando ²³⁹O, qu'aparra ensin fisión a plutoniu-239, que sí ye fisible. Por cuenta de la so capacidá de producir material fisible, a esti tipu de materiales suélse-yos llamar fértiles.

Los neutrones d'alta velocidá (52.000 km/s), como los producíos nuna reacción de fusión tritiu-deuteriu, pueden fisionar l'uraniu-238. Sicasí los producíos pola fisión del uraniu-235, d'hasta 28.000 km/s, tienden a rebotar inelásticamente con él, lo cual los desacelera. Nun reactor nuclear, el ²³⁸O tiende, pos, tantu a desacelerar los neutrones d'alta velocidá provenientes de la fisión del uraniu-235 como a prindalos (cola consiguiente transmutación a plutoniu-239) cuando la so velocidá modérase.

L'uraniu-235 fisiona con una gama muncho más amplia de velocidaes de neutrones que'l ²³⁸O. Puesto que l'uraniu-238 afecta a munchos neutrones ensin inducir la fisión, tenelo nel amiestu ye contraproducente pa promover la fisión. Ello ye que la probabilidá de la fisión del ²³⁵O con neutrones de velocidá alta pue ser lo suficientemente alzada como pa faer que l'usu d'un moderador seya innecesariu una vegada que se suprimiera'l ²³⁸O.

Sicasí, el ²³⁵O ta presente nel uraniu natural en cantidaes bien amenorgaes (una parte por cada 140). La diferencia relativamente pequeña en masa ente los dos isótopos fai, amás, que la so separación seya difícil. La posibilidá de dixebrar ²³⁵O foi afayada con bastante rapidez nel proyeutu Manhattan, lo que tuvo gran importancia pal so ésitu.

Referencies

Enllaces esternos

Wikillibros tien un llibru o manual sobre Fisión nuclear.