Tomemos como ejemplo un átomo pesado como el uranio o el plutonio. Golpéalo con un neutrón. Míralo romperse.
Esa división es la fisión nuclear. No es una reacción química. Es algo mucho más violento y enérgico. El núcleo se divide en dos fragmentos aproximadamente iguales. Piezas pesadas. Subproductos radiactivos. Pero la verdadera historia no son los escombros. Es la energía.
Cuando el átomo se rompe, surge una enorme cantidad de energía.
Este proceso es el motor de las centrales nucleares. También es el mecanismo detrás de las armas nucleares. La diferencia está en el control. Se crea una reacción en cadena desbocada. El otro mantiene un pulso constante y manejable.
La mecánica de la división
¿Por qué la división de un átomo libera poder? La respuesta está en el defecto masivo.
La masa combinada de los dos fragmentos es ligeramente menor que la del núcleo original. Esa masa faltante no desaparece. Se convierte directamente en energía. La ecuación de Albert Einstein, E=mc², explica esta conversión. Una pequeña porción de masa produce una cantidad colosal de energía porque la velocidad de la luz al cuadrado es un número enorme.
Los fragmentos se separan. Llevan energía cinética. Chocan contra los átomos circundantes. El calor aumenta. El vapor hace girar turbinas. La electricidad fluye.
Controlando la reacción en cadena
La fisión no ocurre de forma aislada. El proceso de división suele liberar neutrones adicionales. Estos neutrones pueden chocar contra otros átomos de uranio. Esos átomos se dividen. Liberan más neutrones.
Esta es una reacción en cadena.
Si no se controla, la reacción se acelera exponencialmente. Eso es una bomba. Si se controla, la reacción permanece estable. Eso es un reactor.
En el núcleo se insertan barras de control hechas de materiales que absorben neutrones, como boro o cadmio. Absorben el exceso de neutrones. Ralentizan la reacción. Los operadores ajustan estas varillas para mantener el nivel de potencia deseado.
Por qué es importante hoy
La fisión nuclear proporciona una parte importante de la electricidad mundial con bajas emisiones de carbono. Funciona de manera confiable. A diferencia de la energía solar o eólica, no depende del clima. No produce emisiones directas de carbono durante el funcionamiento.
Sin embargo, el desperdicio persiste. Los fragmentos radiactivos de los átomos divididos siguen siendo peligrosos durante miles de años. El almacenamiento y la eliminación son desafíos continuos. La tecnología es poderosa. También es profundamente complejo.
Más allá de la energía
La fisión no se trata sólo de centrales eléctricas. Los isótopos médicos suelen producirse en reactores. Estos isótopos ayudan a diagnosticar y tratar enfermedades. Las terapias contra el cáncer dependen de fuentes de radiación precisas. Algunos provienen de subproductos de la fisión.
La ciencia es simple en concepto. Dividir un núcleo pesado. Consigue energía. La aplicación es donde la complejidad toma el control. La seguridad, el desperdicio y la política complican el panorama.
La física no cambia. Las consecuencias sí.
A medida que avanza la tecnología, los nuevos diseños de reactores apuntan a una mayor eficiencia y seguridad. Los pequeños reactores modulares prometen energía más barata y escalable. La investigación sobre la fusión ofrece un camino completamente diferente: combinar átomos en lugar de dividirlos. Pero la fisión sigue siendo una piedra angular del panorama energético actual.
Confiamos en ello. Lo tememos. Nosotros lo gestionamos.
El átomo se divide. La energía fluye. La pregunta no es si podemos hacerlo. Se trata de si podemos hacerlo sabiamente.
Cómo funciona realmente la fisión nuclear
Comienza con una división. En la fisión nuclear, el núcleo de un átomo se divide en dos núcleos más ligeros. Esto no sucede sólo por diversión. A veces ocurre de forma espontánea. Más a menudo, hay que forzar la situación.
Puede inducir la ruptura utilizando partículas como neutrones, protones, deuterones o partículas alfa. Los rayos gamma también funcionan.
Una vez que ese núcleo se resquebraja, la recompensa es enorme.
Liberaciones de energía en grandes cantidades. Los productos radiactivos se forman instantáneamente. Varios neutrones salen volando al vacío.
Y aquí está el truco. ¿Esos neutrones liberados? No se alejan simplemente. Chocan contra núcleos cercanos de material fisionable. Induciendo fisión allí. Liberando aún más neutrones.
La secuencia se repite. Se produce una reacción en cadena. Los núcleos se fisionan en masa. Una enorme cantidad de energía explota hacia afuera.
Poder controlado versus destrucción incontrolada
Ponga esta reacción en cadena bajo control. Hazlo en un reactor nuclear. Obtienes poder. Energía limpia y densa para beneficio de la sociedad.
Hazlo mal. O hacerlo a propósito. Como en una bomba atómica. El resultado es una explosión de asombrosa fuerza destructiva.
La misma física. Resultados opuestos. Se alimenta a las ciudades. El otro los nivela.
La era atómica y sus complicaciones
El descubrimiento de la fisión nuclear abrió una nueva era. La era atómica.
Su potencial para el bien o el mal lo ha moldeado todo. Cambios sociológicos. Convulsiones políticas. Auges económicos. Saltos científicos.
También generó graves preocupaciones. La relación riesgo-beneficio no es sencilla. Es un constante caminar sobre la cuerda floja.
Incluso desde una perspectiva puramente científica, la fisión sigue siendo compleja. Presenta acertijos. Las explicaciones teóricas están incompletas. Entendemos la mecánica mejor que el panorama completo.
Sabemos cómo dividir el átomo.
Todavía estamos averiguando qué significa realmente tener ese poder.
La palabra “fisión” no se inventó hasta 1939. Los físicos alemanes Lise Meitner y Otto Frisch acuñaron el término para describir un núcleo pesado que se divide en dos núcleos más ligeros de aproximadamente el mismo tamaño. Fue el final de una caótica saga científica y el comienzo de un intenso período de investigación.
La verdadera historia comenzó antes. James Chadwick descubrió el neutrón en Inglaterra en 1932. Enrico Fermi y su equipo en Italia pronto comenzaron a bombardear elementos con estas partículas neutras. En 1934, notaron algo extraño. El bombardeo de uranio con neutrones lentos creó cuatro especies radiactivas diferentes. Emitieron partículas beta. Los científicos pensaron que habían encontrado elementos transuránicos con números atómicos 93, 94 o superiores.
Los radioquímicos acudieron en masa para estudiar estos nuevos isótopos. Los resultados fueron confusos. La confusión duró hasta 1939.
Otto Hahn y Fritz Strassmann en Alemania demostraron definitivamente que esos elementos “transuránicos” eran en realidad bario, lantano y otros elementos de la tabla periódica media. Siguieron una pista de Irène Joliot-Curie y Pavle Savić en Francia.
Ida Noddack había sugerido en 1934 que se podían formar elementos más ligeros a partir de núcleos pesados. La idea fue ignorada. Desafió la física nuclear aceptada y carecía de pruebas químicas. Hahn y Strassmann aportaron la prueba.
Meitner y Frisch utilizaron el modelo de la gota de líquido para explicar el proceso. Señalaron la liberación masiva de energía. Los laboratorios de todo el mundo confirmaron la reacción. En un año, más de 100 artículos describieron el proceso.
La evidencia química que fue tan vital para llevar a Hahn y Strassmann al descubrimiento de la fisión nuclear se obtuvo mediante la aplicación de técnicas de portadores y trazadores.
Cómo identificaron los científicos los productos de fisión
Las técnicas químicas fueron cruciales. Se crearon cantidades invisibles de especies radiactivas. Los científicos dedujeron su identidad rastreando cómo se movían con elementos portadores conocidos.
Agregaron trazadores radiactivos conocidos. Compararon el comportamiento para identificar las incógnitas. Desde entonces, estos métodos radioquímicos han aislado 34 elementos de la fisión. El rango abarca desde el zinc (número atómico 30) hasta el gadolinio (número atómico 64).
La amplia gama de radiactividades hace que la fisión sea una rica fuente de trazadores. Se utilizan en aplicaciones químicas, biológicas e industriales.
¿Qué isótopos causan la fisión y por qué es importante?
Los primeros experimentos utilizaron uranio ordinario. Rápidamente se estableció que el uranio-235 era el responsable. Se fisiona con neutrones lentos.
El uranio-238 es más abundante. Para la fisión se necesitan neutrones rápidos con una energía superior a 1 MeV. Los núcleos de torio y protactinio también se fisionan con neutrones rápidos.
Otras partículas también funcionan. Los protones rápidos, los deuterones y los alfa inducen la reacción. Los rayos gamma también son eficaces.
La invención del reactor nuclear.
En 1939, Frédéric Joliot-Curie, Hans von Halban y Lew Kowarski descubrieron que durante la fisión del uranio-235 se emitían varios neutrones. Esto sugirió una reacción en cadena autosostenida.
Fermi y sus compañeros de trabajo vieron el potencial. Reconocieron el poder de una reacción controlada. El 2 de diciembre de 1942 lo consiguieron.
Operaron el primer reactor nuclear del mundo. Se llamó “montón”. Estaba formado por bloques de uranio y grafito. Fue construido en el campus de la Universidad de Chicago.
Siguió el Proyecto Manhattan. Fue un esfuerzo secreto. Desarrolló la bomba atómica después de que Estados Unidos entrara en la Segunda Guerra Mundial.
Cuando terminó la guerra, los esfuerzos cambiaron. Los científicos desarrollaron nuevos tipos de reactores. Su objetivo era la generación de energía a gran escala. Esto dio origen a la industria de la energía nuclear.
Los fundamentos del proceso de fisión ahora estaban claros. La tecnología había pasado de la teoría a la realidad. Las implicaciones para la energía y la guerra fueron inmediatas. El mundo cambió en formas que pocos podrían haber predicho en 1934.
El secreto de la fisión nuclear no es mágico. Es estructural. Hay que observar cómo se construye la materia nuclear. Y qué estable es.
Los núcleos están formados por nucleones. Ésa es simplemente la palabra elegante para protones y neutrones. El recuento total de estas partículas es su número de masa. Bastante simple. Pero aquí es donde se pone raro. La masa real de un núcleo es siempre menor que la suma de sus partes. Si tomaras todos esos neutrones y protones libres y los pesaras por separado, pesarían más que el núcleo que crearon.
La diferencia entre esos dos pesos es el defecto de masa. ¿Y esa masa que falta? No desapareció. Se convirtió en energía.
La ecuación de Einstein explica esto. E = mc 2. La energía es igual a la masa multiplicada por la velocidad de la luz al cuadrado. Es una tasa de conversión masiva. Ese defecto de masa es una medida directa de la energía de enlace. Que es básicamente el pegamento que mantiene unido el núcleo.
Piénselo de esta manera. Cuando se forma un núcleo, libera energía. Tienes que volver a poner la misma cantidad de energía para romperlo. Descomponerlo en nucleones individuales. Cuanto mayor sea la energía de enlace, más estable será el núcleo. Más difícil es separarse.
“La diferencia se conoce como defecto de masa y es una medida de la energía de enlace total (y, por tanto, de la estabilidad) del núcleo”.
Esta estabilidad importa. Porque si el núcleo es inestable, podría dividirse. Fisión. Si es estable, se queda ahí. Espera.
La energía liberada durante la formación es la misma energía que necesitarías suministrar para destruirla. Es un circuito cerrado. Un sello hermético. La masa se convierte en energía. La energía mantiene unida la masa. Y es por eso que algunos átomos se dividen fácilmente mientras que otros permanecen sin ser perturbados durante miles de millones de años.
Mire la curva de energía de enlace promedio por nucleón. Es una forma familiar en física, que alcanza su punto máximo alrededor del número de masa 56. Ese es el punto óptimo. Eso es hierro.
El gráfico cuenta una historia sencilla sobre la estabilidad. El hierro se encuentra en la cima de la colina. Si tienes un núcleo más pesado que el hierro, quiere dividirse. Quiere dividirse en trozos más ligeros que se encuentren más abajo en la pendiente energética. La diferencia en la energía de enlace no desaparece simplemente. Se libera. Esto es fisión.
Si tienes algo más ligero que el hierro, el camino es diferente. Esos núcleos pueden ganar estabilidad al chocar entre sí. Se fusionan en un núcleo más pesado con un mayor defecto de masa. La diferencia de masa se convierte en energía. Esto es fusión. Es el motor del sol. Es la base de la bomba de hidrógeno. También es el santo grial de la generación de energía limpia, un campo que ha sido objeto de décadas de búsqueda activa, a menudo frustrante.
La barrera a la decadencia espontánea
Aquí es donde el modelo energético simple se desmorona.
Si las consideraciones energéticas fueran el único factor, toda la materia eventualmente colapsaría y se convertiría en hierro. Todo buscaría esa configuración más estable. Pero eso no sucede. El universo no es tan perezoso ni tan eficiente.
Hay barreras. Otros factores detienen la conversión espontánea.
Para entender por qué, los físicos tratan el núcleo como una gota de líquido cargado. Es una analogía cualitativa, pero se sostiene. La fuerza nuclear fuerte une a los nucleones. Es atractivo. Es poderoso. Pero es de corto alcance. Sólo funciona entre vecinos más cercanos.
Los nucleones en la superficie tienen menos vecinos que los enterrados en el interior. Esto crea tensión superficial. La gota quiere minimizar su superficie para reducir energía. La forma más eficaz para encerrar un volumen es una esfera. Entonces, el núcleo asume una forma esférica.
El problema de la repulsión de Coulomb
Los protones no siguen las mismas reglas de corto alcance. Están cargados positivamente. Se repelen entre sí mediante la fuerza de Coulomb de largo alcance.
A medida que el núcleo crece, esta repulsión se convierte en un problema grave. Una vez que se pasa un recuento de nucleones de aproximadamente 40, la fuerza de atracción de la interacción fuerte lucha por mantener todo pegado contra el empuje eléctrico.
¿La solución? Dilución.
Los núcleos más pesados mantienen una estabilidad relativa añadiendo un exceso de neutrones. Los neutrones aumentan la fuerza de atracción fuerte sin aumentar la repulsión de Coulomb. Actúan como pegamento, diluyendo la densidad de protones. Se necesitan más y más neutrones a medida que aumenta el número de masa para evitar que la gota se separe.
Este delicado equilibrio define los límites de la tabla periódica. Explica por qué algunos elementos son estables y otros se descomponen. Explica por qué no podemos simplemente dejar que el universo corra cuesta abajo hasta convertirse en un montón de bolas de hierro. Las barreras son reales. La física es compleja. ¿Y la energía encerrada en esas gotas pesadas y ricas en neutrones? Todavía esperando ser desbloqueado.
Cuando un núcleo se excita, comienza a moverse. Deja de ser una esfera perfecta.
Las fuerzas de la superficie intervienen inmediatamente. Quieren devolverle al núcleo una forma redonda porque una esfera minimiza la tensión superficial. Pero hay una fuerza contraria. Los protones del interior se empujan entre sí. A medida que el núcleo se estira, esos protones se separan más. La repulsión disminuye.
Estas dos tendencias opuestas crean un problema. Una barrera.
La figura 2 muestra esto claramente. Al principio la curva de energía sube. ¿Por qué? Porque la fuerza nuclear fuerte (el pegamento que mantiene unido el núcleo) es potente y de corto alcance. Combate la deformación.
Pero la repulsión de Coulomb entre protones se debilita más rápido de lo que crece la tensión superficial. Finalmente, se encuentran en un punto muerto.
Este es el punto B.
Esta ubicación específica se conoce como “punto de silla”.
En un mapa tridimensional de energía potencial, este pico parece la silla de un caballo. Es el punto más alto de resistencia antes de que el núcleo se comprometa a dividirse. Si no tienes suficiente energía para superar este obstáculo, no pasa nada.
Más allá del punto B, las reglas cambian. La repulsión de Coulomb toma el mando. Impulsa al núcleo a un mayor alargamiento. Los protones empujan más fuerte de lo que la tensión superficial puede soportar. El núcleo se estira hasta romperse.
Este es el punto S, el punto de escisión. El núcleo se rompe en dos. Cualitativamente, la fisión es simplemente el resultado de que los protones se niegan a permanecer cerca.
Fisión inducida
No todos los núcleos se dividen por sí solos. La altura de esa barrera energética depende completamente del núcleo que estés mirando.
Para forzar la fisión, hay que excitar el núcleo. Debes golpearlo con suficiente energía para superar la barrera. Puedes hacer esto con rayos gamma (fotofisión) o estrellando una partícula contra ellos. Neutrones, protones, lo que sea que funcione.
Aquí es donde importa la naturaleza par-impar de los neutrones. Cambia la energía de enlace.
Si agregas un neutrón a un núcleo que ya tiene un número impar de neutrones, obtienes un número par. Este emparejamiento es estable. La energía de enlace aumenta.
Si agregas un neutrón a un núcleo de neutrones pares, obtienes un número impar. La ganancia de energía de enlace es menor.
Esta diferencia explica por qué algunos materiales se dividen con neutrones lentos mientras que otros exigen neutrones rápidos.
La mayoría de los elementos pesados son inestables en cuanto a la fisión, pero se encuentran en un agujero profundo. Necesitan una patada para salir.
- Uranio-233, Uranio-235, Plutonio-239: Estos tienen números impares de neutrones. Agregar un neutrón más libera suficiente energía de enlace para empujarlos a través de la barrera. Los neutrones lentos y de baja energía funcionan bien.
- Torio-232, Uranio-238: Tienen un número par de neutrones. La ganancia de energía de enlace es demasiado débil. Necesitas la energía cinética del neutrón entrante para compensar la diferencia. Se requiere un neutrón rápido con aproximadamente 1 MeV de energía.
La matemática es simple. Si la energía de activación no está ahí, la barrera se mantiene.
Fisión espontánea
La mecánica cuántica es extraña. Se trata de probabilidades, no de certezas.
Incluso en su estado fundamental (la configuración de energía más baja, situada de forma segura debajo de la barrera), un sistema fisionable tiene una probabilidad pequeña y finita de estar del otro lado.
Tomemos como ejemplo el uranio-238. Está confinado dentro de la barrera. Pero los túneles cuánticos le permiten atravesar la pared. No se sube. Pasa.
Esta es una fisión espontánea. No se requiere influencia externa.
La probabilidad es pequeña. En el caso del uranio-238, se necesitan más de $10^{15}$ años para que la mitad del material se descomponga de esta manera. Eso es mucho tiempo.
Pero para los nucleidos más pesados conocidos, la probabilidad aumenta. La barrera se vuelve más delgada. La fisión espontánea se convierte en el modo dominante de desintegración. Algunos de estos núcleos superpesados duran sólo fracciones de segundo.
Esta inestabilidad es un límite estricto. Puede impedir por completo la formación de núcleos aún más pesados. El universo traza una línea en la arena y la fisión espontánea es el borrador.
Las etapas de la fisión
La Figura 3 traza la línea de tiempo de la división de un núcleo pesado. El reloj en la parte inferior nos dice qué tan rápido sucede esto. No es un proceso lento. Es violento e instantáneo.
La probabilidad de dividirse
Cuando un núcleo pesado se rompe, no siempre se rompe en los mismos pedazos. Los neutrones y protones se mueven de manera impredecible. Esto crea una distribución de probabilidad para la masa y la carga nuclear.
Los científicos llaman a la probabilidad de que aparezca un fragmento específico su rendimiento de fisión. Se mide como un porcentaje de todas las fisiones que resultan en ese resultado particular.
Una vez que el núcleo se rompe, las dos mitades retroceden. Están cargados positivamente. La repulsión de Coulomb entre ellos es inmensa. Se separan con energía cinética determinada por sus cargas y la distancia entre sus centros de carga en el momento de la escisión. Incluso para la misma división de masa, la energía varía. Los parámetros cambian. La velocidad de retroceso cambia.
Desnudándose y desacelerando
Los fragmentos se mueven demasiado rápido para sus propios electrones. Los electrones atómicos no pueden seguir el ritmo. Son despojados.
Los fragmentos de fisión se separan como átomos altamente cargados, no como entidades neutras.
La carga nuclear no es neutralizada inmediatamente por los electrones atómicos. El fragmento todavía está deformado. A medida que recupera su forma estable, libera energía de deformación. Esto se convierte en energía de excitación interna. Los neutrones se evaporan. Los rayos gamma rápidos se emiten casi simultáneamente.
Estos átomos altamente cargados y que se mueven rápidamente chocan con el medio por el que pasan. En el aire, el alcance es de sólo unos pocos centímetros. La energía cinética se transfiere al medio en forma de ionización y calor. El átomo se ralentiza.
Durante esta desaceleración, capta electrones del entorno. Se vuelve neutral cuando se detiene. Ahora ya no es un fragmento. Es un producto de fisión.
Es posible que el número de masa haya cambiado. Durante la transición se perdieron neutrones. El producto todavía es radiactivo. No es estable. Sufre desintegración beta. ¿La escala de tiempo? Desde fracciones de segundo hasta muchos años. La emisión beta produce electrones y antineutrinos. Los rayos gamma y los rayos X suelen sumarse a la fiesta.
Las variables ocultas
Las distribuciones de masa, carga y energía cinética dependen de las especies que se fisionan. También dependen de la energía de excitación del acto.
La fenomenología es extensa. Hay muchos aspectos a interpretar. Considere la sistemática de las secciones transversales de fisión. Esa es una medida de la probabilidad de que ocurra la fisión. Considere la variación en los neutrones rápidos emitidos. Esto varía según la especie y la división de masa.
Observe la distribución angular de los fragmentos en relación con el haz de partículas. Mire las vidas medias de fisión espontánea. Observe los isómeros de fisión espontánea, que son estados excitados del núcleo.
Algunos eventos emiten partículas ligeras como hidrógeno-3, helio-3 o helio-4. No siempre. Pero en cantidades pequeñas pero significativas. Entre los productos existen emisores de neutrones retardados. La escala de tiempo de cada etapa importa. La distribución de la energía liberada entre partículas y radiación es compleja.
Es imposible aquí una discusión completa de todas estas facetas. Pero algunos detalles dan una idea. Ofrecen una muestra de la fascinación.
Distribuciones de masa de fragmentos de fisión
La forma en que se dividen los fragmentos de fisión es una de las características más definitorias de todo el proceso nuclear. No es aleatorio. Depende en gran medida de dos cosas: la masa del núcleo que se divide y la energía de excitación presente cuando ocurre.
Con energías de excitación bajas, las cosas se vuelven asimétricas. Tomemos como ejemplo el uranio-235 o el plutonio-239. No se dividen en dos mitades iguales. Más bien, favorecen una división desigual. Esto crea una distribución de probabilidad de dos jorobas. El grupo ligero de fragmentos cambia a números de masa más altos a medida que el núcleo en fisión se vuelve más pesado. El grupo pesado permanece mayormente estacionario.
Aumenta la energía y las reglas cambian.
Las divisiones simétricas se vuelven más probables. Los asimétricos desaparecen. El valle entre los dos picos se llena. En excitaciones elevadas, la curva adquiere una joroba única. El rendimiento máximo se sitúa justo en la simetría.
No todos los núcleos juegan con las mismas reglas. Los isótopos de radio exhiben una extraña distribución de triple joroba. Los nucleidos más ligeros permanecen simétricos y con una sola joroba. Pero, en primer lugar, requieren una energía de activación significativa para fisionarse. Luego están los núcleos muy pesados cerca del fermio-260. Aquí, la fisión espontánea produce una curva simétrica de una sola joroba. Las energías cinéticas de los fragmentos resultantes son inusualmente altas.
Comprender estas distribuciones ha sido un gran enigma. Una explicación teórica completa sigue siendo difícil de alcanzar, a pesar de los importantes avances.
Cómo las cadenas de descomposición restauran el equilibrio
La estabilidad exige una relación específica de neutrones a protones (n /p ). Esta relación debe aumentar a medida que aumenta el número de protones. Hasta el calcio (20 protones), la proporción se mantiene en la unidad. Después de eso, sube. Para los elementos más pesados, alcanza aproximadamente 1,5.
Cuando un núcleo pesado se fisiona, emite unos pocos neutrones. Esto ayuda, pero no es suficiente. Los fragmentos restantes todavía tienen una proporción n /p demasiado alta para la estabilidad. Son inestables.
Lo solucionan mediante desintegración radiactiva. Específicamente, la desintegración beta-menos. Los neutrones se convierten en protones. Se emiten un electrón negativo (partícula beta) y un antineutrino. El número de masa sigue siendo el mismo. El número atómico aumenta en uno. Con cada conversión nace un nuevo elemento.
Estas sucesivas desintegraciones beta forman una cadena de desintegración isobárica del producto de fisión. Cada número de masa tiene su propia cadena. La vida media de estas especies radiactivas generalmente aumenta a medida que se acercan a la isobara estable al final de la línea.
Para ser claro en la terminología:
– Los isótopos comparten la misma carga nuclear (Z, protones) pero difieren en el recuento de neutrones y el número de masa (A ).
– Las isobaras comparten el mismo número másico (A ) pero difieren en el número atómico (Z ).
Consideremos una división de masa típica en la fisión del uranio-235 inducida por neutrones. Si se emiten dos neutrones de los fragmentos iniciales, se forman masas complementarias de 93 y 141. La división de carga entre estos fragmentos es un parámetro crítico en el proceso.
Para estas masas específicas, las cadenas de desintegración isobáricas proceden de la siguiente manera. Las vidas medias de cada paso de desintegración beta se indican a lo largo de las flechas de transición.
Las matemáticas detrás de la fisión nuclear son precisas. Si nos fijamos en el símbolo de un elemento, el número inferior es Z (protones) y el superior es A (masa). Cuando el uranio-235 se divide, debe tener en cuenta los 92 protones. El núcleo no se rompe por casualidad. Tiende a dividirse en pares complementarios. Kriptón-36 y Bario-56. Rubidio-37 y Cesio-55. Estroncio-38 y Xenón-54. Estas combinaciones conservan la carga. Son los resultados probables.
Rendimiento independiente versus acumulado
No todos los productos de fisión aparecen de la misma manera. Algunos aparecen instantáneamente. Algunos toman tiempo. El rendimiento independiente mide la frecuencia con la que se forma un nucleido específico directamente a partir de los fragmentos iniciales después de que se enfrían. Es el golpe directo. Pero esa no es toda la historia.
Si desea tener una visión completa, necesita el rendimiento acumulativo. Este es el porcentaje total de cualquier nucleido en una cadena de desintegración. Se obtiene sumando el rendimiento independiente de ese nucleido al rendimiento de cada precursor que se desintegra en él. Es un juego de suma. El rendimiento total de toda la cadena para un número de masa específico es lo que llamamos rendimiento acumulativo.
La hipótesis del desplazamiento de carga igual
Los radioquímicos han estudiado esto durante décadas. Encontraron un patrón. La división de cargos más probable no se centra en la estabilidad. Está desplazado. Y aquí está lo bueno: se desplaza la misma distancia tanto en los fragmentos ligeros como en los pesados. Los científicos llaman a esto la hipótesis del desplazamiento de carga igual (ECD). Las mediciones físicas lo han respaldado.
En el ejemplo de rubidio-cesio que mencioné anteriormente, ECD predice que las cargas más probables se encuentran alrededor de Rubidio-37 y Cesio-55. Pero a la naturaleza le gustan los atajos. Si un fragmento tiene 50 protones, se produce un fuerte efecto de caparazón. Esto altera las expectativas del ECD. La distribución de la formación de cargas es estrecha. Parece gaussiano. Es casi lo mismo independientemente de la división de masa o del átomo de fisión específico.
El cargo más probable ($Z_p$) es un concepto útil aquí. No es necesario que sea un número entero. Es un promedio estadístico. A medida que aumenta la energía de fisión, los fragmentos intentan mantener la misma proporción neutrón-protón ($n/p$) que el núcleo original. Esto se llama distribución de cargos sin cambios.
Neutrones rápidos: la explosión inmediata
¿Cuántos neutrones salen? Varía. El número promedio por fisión es $\bar{\nu}$. Para la fisión espontánea de uranio-238, es aproximadamente 2,0. Para el Fermio-257, salta a 4,0. Para la fisión de uranio-235 inducida por neutrones térmicos, es 2,4.
Pero $\bar{\nu}$ es un promedio. Cada evento individual es diferente. Depende de cómo se produzca la división de masa. Todavía existe un debate sobre cuántos neutrones salen volando justo en el momento de la escisión. Sin embargo, la mayoría de los físicos están de acuerdo en que la mayor parte de los neutrones son liberados por los fragmentos que retroceden justo después de dividirse.
¿Por qué? Energía. Los fragmentos tienen energía. Calor de excitación interna. Energía de deformación almacenada como un resorte. Cuando el fragmento recupera su forma estable, esa energía libera neutrones. Cuanta más energía tiene el fragmento, más neutrones escupe.
Neutrones retardados: el mecanismo de control
La mayoría de los neutrones son rápidos. Algunos se retrasan. Esto sucede cuando los productos de fisión se desintegran beta. La energía de desintegración beta es alta. Mayor que la energía de enlace de un neutrón en el núcleo hijo. Esto suele ocurrir cuando la hija tiene uno o dos neutrones adicionales más allá de una capa cerrada de 50 u 82. Esos neutrones adicionales están débilmente unidos.
La desintegración beta empuja a la hija a un estado de excitación. Un estado de excitación que es inestable. Emite un neutrón. Pero no es instantáneo. Se retrasa por la vida media del precursor. Hemos identificado seis de estos emisores de neutrones retardados. Sus vidas medias oscilan entre 0,5 segundos y 56 segundos.
Su rendimiento es mínimo. Alrededor del 1 por ciento de los neutrones rápidos. Entonces, ¿por qué son importantes? Sin ellos, controlar un reactor nuclear sería casi imposible. La reacción en cadena cambiaría demasiado rápido para que las manos humanas o incluso la mayoría de los sistemas mecánicos pudieran adaptarse. Estos neutrones retrasados nos dan tiempo. Hacen que la reacción sea manejable.
Cálculos de liberación de energía
¿De dónde viene el calor? Diferencia de masa. Se calcula la liberación total de energía observando las masas en reposo. Reactivos versus productos. Tome uranio-235 más un neutrón. Compárelo con productos finales estables como niobio-93 y praseodimio-141 más dos neutrones. La masa no se conserva. Algo de eso ha desaparecido.
La ecuación de Einstein, $E=mc^2$, nos dice adónde fue. Se convirtió en energía. La liberación total depende de la división de masa específica. Pero en la fisión del uranio-235 inducida por neutrones térmicos, la energía se distribuye en un patrón predecible.
La mayoría se queda con los fragmentos. Energía cinética. Los fragmentos se separan a gran velocidad, chocan con los átomos circundantes y generan calor. Luego están los neutrones. Llevan energía cinética. Los rayos gamma liberan energía instantáneamente. Las partículas beta y los neutrinos transportan energía durante la desintegración. Lamentablemente, los neutrinos se escapan por completo. Se llevan la energía consigo y nunca la sueltan.
Por eso el diseño del reactor es tan complejo. Estás gestionando el calor en los sólidos, la radiación en el vacío y las partículas que escapan al espacio. Las matemáticas están limpias. La realidad es confusa. Y la distribución de energía determina qué tan caliente se calienta tu núcleo.
La física de la energía perdida y los modelos nucleares.
No todos los neutrones capturados en el núcleo de un reactor permanecen en su lugar. Algunos escapan por completo, y la liberación de energía de esos neutrones rápidos depende de cómo se detengan finalmente. Esta rápida liberación de energía ocurre en una escala de tiempo de aproximadamente $10^{-12}$ segundos. Se convierte en gran parte en calor dentro de un reactor en funcionamiento y se utiliza para generar energía.
Pero también se produce un retraso en la liberación de energía. Esto se debe a la desintegración radiactiva de los productos de fisión, cuya vida media varía desde fracciones de segundo hasta muchos años. Las especies de vida más corta se desintegran en el reactor y su energía se suma al calor generado; sin embargo, las especies de vida más larga siguen siendo radiactivas y plantean un problema en el manejo y disposición de los elementos combustibles del reactor cuando es necesario reemplazarlos.
Los antineutrinos que acompañan a la desintegración beta de los productos de fisión no reaccionan y su energía cinética (alrededor de 10 MeV por fisión) no se recupera. En total, se pueden recuperar unos 200 MeV de energía por fisión para aplicaciones energéticas.
El desafío de la precisión teórica
La fisión nuclear es un proceso complejo que implica la reordenación de cientos de nucleones en un solo núcleo para producir dos núcleos separados. Una comprensión teórica completa de esta reacción requeriría un conocimiento detallado de las fuerzas involucradas en el movimiento de cada uno de los nucleones a lo largo del proceso. Dado que dicho conocimiento aún no está disponible, es necesario construir modelos simplificados del sistema real para simular su comportamiento y obtener una descripción lo más precisa posible de los pasos del proceso. Los éxitos y fracasos de los modelos a la hora de dar cuenta de las diversas observaciones del proceso de fisión pueden proporcionar nuevos conocimientos sobre la física fundamental que rige el comportamiento de los núcleos reales, particularmente en las grandes deformaciones nucleares que se encuentran en un núcleo sometido a fisión.
El marco para comprender las reacciones nucleares es análogo al de las reacciones químicas e implica el concepto de una superficie de energía potencial en la que se produce la reacción. La fuerza impulsora de las reacciones físicas o químicas es la tendencia a reducir la energía potencial y aumentar la estabilidad del sistema. Así, por ejemplo, una piedra en la cima de una colina rodará colina abajo, convirtiendo su energía potencial en la cima en energía cinética de movimiento, y descansará en la parte inferior en un estado más estable de menor energía potencial. La energía potencial se calcula en función de varios parámetros del sistema en estudio. En el caso de la fisión, la energía potencial se puede calcular en función de la forma del sistema a medida que avanza sobre la barrera hasta el punto de escisión, y se puede determinar el camino de menor energía potencial.
Como se ha señalado, todavía no es posible realizar un cálculo exacto de la energía potencial nuclear, y para aproximarse a este cálculo se han construido varios modelos para simular el sistema real. Algunos de los modelos se desarrollaron para abordar aspectos de la estructura nuclear y la espectroscopia, así como características de las reacciones nucleares, y también se han empleado en intentos de comprender la complejidad de la fisión nuclear. Los modelos se basan en diferentes supuestos y aproximaciones de la naturaleza de las fuerzas nucleares y la dinámica del camino hacia la escisión. Ningún modelo puede explicar toda la extensa fenomenología de la fisión, pero cada uno aborda diferentes aspectos del proceso y proporciona una base para un mayor desarrollo hacia una teoría completa.
La gota de líquido y el misterio de la asimetría
El núcleo no se queda ahí sentado. Se mueve. A veces todo se balancea como una gota de agua. Otras veces, las partículas individuales bailan en sus propios carriles. Esta dualidad confundió a los físicos durante décadas.
George Gamow empezó a rodar la bola en 1935. Imaginó el núcleo como una gota de líquido incompresible. Niels Bohr tomó esa idea y la puso en práctica. En 1939, Bohr y John A. Wheeler habían utilizado el modelo de la gota de líquido para explicar la fisión nuclear. El concepto era simple. Disparas un neutrón a un núcleo. Se absorbe. La energía se esparce. El núcleo se tambalea. Al final se divide.
El modelo funcionó bien para el panorama general. Mostró cómo la fuerza nuclear fuerte que intenta mantener unidas las cosas compite con la repulsión eléctrica entre los protones que intentan separarlas. Pero tenía un defecto fatal. Predijo que cuando un núcleo se divide, se rompe en dos mitades iguales. Simétrico. Limpio.
No sucedió de esa manera.
La fisión da como resultado masas desiguales. Una pieza es grande. El otro es pequeño. El modelo de la gota de líquido no pudo explicar esta asimetría de masas. También luchó con masas de estado fundamental y barreras de fisión. Para núcleos muy excitados, el modelo estaba bien. ¿Para los estables? No tanto.
Conchas y números mágicos
Los científicos necesitaban un ángulo diferente. Dejaron de mirar el núcleo como una masa. Comenzaron a observar partículas individuales.
Imaginemos un único nucleón moviéndose a través de un campo creado por todos los demás. Es un potencial promedio. Un pozo esférico. La mecánica cuántica resuelve el movimiento de una partícula en ese pozo. ¿El resultado? Niveles de energía.
Los neutrones y los protones tienen sus propios conjuntos de niveles. Se agrupan en conchas. Como los electrones en un átomo. Cierto número de nucleones llenan estas capas por completo. Estos son los números mágicos.
2, 8, 20, 28, 50, 82, 126.
Los núcleos con estos números son obstinadamente estables. Se unen fuertemente. Maria Goeppert Mayer y J. Hans D. Jensen formalizaron esto en 1949. Lo llamaron modelo de capa esférica. También conocido como modelo de partículas independientes.
Explicaba las masas en estado fundamental. Explicó los espines nucleares. Explicó por qué algunos estados excitados duran más que otros (isómeros). Si el núcleo es esférico y se acerca a un número mágico, el modelo es excelente.
Pero ¿qué pasa con el resto de la tabla periódica?
El núcleo deformado
Tome los lantánidos y actínidos. Lantano a través de lutecio. Actinio a través de Lawrencium. Sus recuentos de nucleones se sitúan entre los números mágicos.
El modelo de capa esférica falla aquí. Estos núcleos no son esféricos. Están deformes. Se estiran. Parecen una pelota de fútbol. O una sandía.
En 1955, intervinieron Aage Bohr, Ben R. Mottelson y Sven G. Nilsson. Calcularon el movimiento de un nucleón en un potencial esferoidal. No una esfera. Un esferoide.
Un esferoide tiene tres ejes de simetría. Puede girar. La rotación ocurre independientemente de la excitación interna de los nucleones. El núcleo también puede vibrar. Puede pulsar.
Este enfoque híbrido combinaba el movimiento de las partículas independientes con el movimiento colectivo de todo el sistema. Rotaciones. Vibraciones. Estructuras de concha.
Lo llamaron el modelo unificado. Se convirtió en el modelo de concha deformada.
No fue sólo un ajuste. Fue un cambio en la forma en que vemos el núcleo atómico. El núcleo no es sólo una gota. No es sólo una colección de bolas aisladas. Es un objeto dinámico y deformable.
¿Por qué esto importa?
Porque la fisión nuclear no se trata sólo de romper cosas. Se trata de comprender la estructura que los sostiene. La asimetría de la fisión está ligada a estos efectos de caparazón. Los niveles de energía cambian a medida que el núcleo se deforma. El camino hacia la división se vuelve complejo.
Todavía usamos el modelo de gota de líquido. Es útil para colisiones de alta energía. ¿Pero por los detalles sutiles? ¿Por las divisiones masivas? ¿Para la estabilidad de elementos pesados? Necesitas el modelo de concha. Necesitas la deformación.
La historia del núcleo es la historia de estos modelos en competencia. Gota. Caparazón. Unificado. No se anulan entre sí. Se superponen uno encima del otro.
Todavía estamos refinando los parámetros. Todavía ajustando los potenciales. El núcleo sigue siendo uno de los sistemas de pequeña escala más complejos que conocemos.
Y ni siquiera hemos empezado todavía con los quarks dentro de los protones.
Aage Bohr aplicó el modelo unificado a la fisión tratando los estados excitados de un sistema como funciones de un parámetro de deformación. Piense en este parámetro como alargamiento: el estiramiento físico del núcleo a medida que avanza hacia la división. Bohr evaluó estos estados en el punto de silla. Este es el pico de la barrera energética.
Aquí está el truco. Una vez que el sistema alcanza la cima del punto de silla, la mayor parte de su energía de excitación se destina a deformar el núcleo. El sistema se vuelve “frío”. Le queda poca energía calorífica. Sólo están disponibles los estados excitados bajos. Aquí es donde las cosas se complican para los teóricos.
Cómo el giro y la paridad dictan las rutas de fisión
El giro y la paridad del canal específico que ocupa el sistema en el punto de silla determinan el resultado de la fisión. Esto se conoce como análisis del estado de transición. Cualitativamente representa varias características clave del proceso.
Los umbrales de fisión dependen del giro y la paridad del estado nuclear compuesto. La distribución angular de los fragmentos se rige por el momento angular de rotación colectivo de ese estado. La asimetría en la distribución de masa resulta del paso por encima de la barrera en un estado de paridad negativa. La paridad negativa carece de simetría de reflexión.
“Es el único modelo que proporciona una interpretación satisfactoria de las distribuciones angulares de los fragmentos de fisión”.
El modelo funciona bien, pero tiene un supuesto importante. Se supone que las propiedades del estado de transición en el punto de silla no se ven alteradas por consideraciones dinámicas durante el descenso hasta el punto de escisión. Este es un gran “si”. A pesar de ello, el modelo sigue siendo esencial. Cualquier teoría completa de la fisión debe incluir sus características atractivas.
Por qué los números mágicos son importantes para la división masiva
El primer uso del modelo de capa esférica en fisión fue más sencillo. Reconoció que los picos en la distribución de masa de fisión se correlacionaban con números mágicos. Esto sugirió una interpretación cualitativa de la división de masas asimétrica.
Los núcleos prefieren la estabilidad. La preferencia por formar núcleos con números de neutrones cercanos a 82 favorece el pico del grupo pesado. Esto determina la división de masa del sistema de fisión. Consulte la Figura 4 en los datos originales.
Se esperaba una estabilidad adicional para 50 protones. No es particularmente evidente en los datos. Tome estaño-132. Es un núcleo doblemente mágico con 50 protones y 82 neutrones. Su rendimiento en fisión de baja energía es bastante bajo. El modelo no es perfecto.
Peter Fong y el enfoque estadístico
Peter Fong, en Estados Unidos, hizo una aplicación más cuantitativa en 1956. Utilizó un enfoque de modelo estadístico. Relacionó la probabilidad de formar un par dado de fragmentos con la densidad de estados disponible en el punto de escisión.
La lógica es sencilla. El movimiento aleatorio significa que el sistema experimenta todas las configuraciones posibles. Tiene mayor probabilidad de estar en regiones donde se concentra el mayor número de configuraciones. El modelo supone que la energía potencial en el punto de silla se convierte en energía de excitación. El equilibrio estadístico entre todos los estados se establece en el punto de escisión.
Los núcleos de capa cerrada tienen energía de enlace adicional. Esto conduce a una mayor densidad de estados para una energía de excitación determinada. Otros núcleos no lo hacen. Esto crea una mayor probabilidad de formación de configuraciones de capa cerrada. El resultado es una distribución de masa asimétrica. Concuerda bien con las observaciones de la fisión del uranio-235 inducida por neutrones.
El problema del equilibrio del punto de escisión
También se explican los cambios en la distribución de masa con una mayor energía de excitación. A medida que aumenta la energía de excitación, disminuye la importancia de los efectos de la capa. Esto aumenta la probabilidad de fisión simétrica en relación con la fisión asimétrica.
Otras características se explican cualitativamente. Sin embargo, se requieren cambios importantes en los parámetros del modelo para que coincidan con los experimentos con otros nucleidos fisionables. Hay problemas fundamentales con los supuestos básicos.
La cuestión central de los modelos de puntos de escisión es la validez. ¿Permanece el sistema en el punto de escisión el tiempo suficiente en la pronunciada caída de la superficie de energía potencial? ¿Hay tiempo para que se establezca una condición de cuasi equilibrio?
Hay alguna evidencia de que tal condición prevalece. No está claramente establecido. Aún así, estos modelos resultan útiles. Interpretan observaciones de distribuciones de masa, carga y energía cinética. Explican la dependencia de la emisión de neutrones de la masa del fragmento.
La estructura del caparazón del fragmento probablemente juega un papel importante. Determina el curso del proceso de fisión. Los detalles siguen sin resolverse. La física es confusa.
Los modelos de gota de líquido son buenos para formas generales. Fallan cuando los núcleos se estiran. Específicamente, no tienen en cuenta los costos de energía superficial en caso de grandes deformaciones. Este es un problema de fisión.
V.M. Strutinskii solucionó esto en 1967. Era un físico ruso. Propuso un modelo híbrido. Agrega efectos de caparazón al potencial de gota de líquido. La parte de la gota de líquido mantiene la superficie colectiva y los efectos de Coulomb. Las correcciones de la carcasa dependen de la deformación. Estas correcciones pueden alcanzar varios millones de electronvoltios. Eso eclipsa la barrera de caída de líquido de aproximadamente 5 MeV.
La estabilidad de la concha cambia con la forma. Los números mágicos pasan de los valores esféricos. Cerca de la barrera de fisión, esto crea una estructura en la curva de energía. La figura 7 muestra esto. Los dos picos varían según la masa y la carga.
La barrera de doble joroba explica los isómeros
Esta forma de doble joroba resuelve acertijos de fisión. Existen isómeros de fisión espontánea de vida corta. Viven en el segundo pozo. Estados de clase II. La barrera de salida es menor. Las vidas medias son más cortas.
Estos estados difieren en forma. Los estados de clase I regresan al estado fundamental mediante emisión gamma. Los estados de clase II obstaculizan esto. Son isómeros de forma. La barrera de doble joroba también explica las secciones transversales de fisión inducida por neutrones. Estructura distribuciones angulares de fragmentos.
El método de Strutinskii impulsó los cálculos. Trató los efectos macroscópicos y microscópicos de manera consistente. Los físicos estadounidenses W.J. Swiatecki y James R. Nix dirigieron estos estudios. Mapearon superficies de energía potencial. Algunos trabajos incluso tocaron la evolución dinámica.
Asimetría y el punto de escisión
Los actínidos muestran asimetría en la segunda barrera. Las divisiones de masa asimétricas son de menor energía. Las divisiones simétricas se favorecen más adelante. El potencial único falla en caso de grandes deformaciones. No puede manejar bien dos fragmentos en formación.
Se produce una discontinuidad en la escisión. Los resultados dependen de tratar el sistema como uno o dos núcleos. Un potencial de dos centros ayuda. Utiliza esferas superpuestas. Coincide con el comportamiento de un centro con pequeñas deformaciones. Coincide con el comportamiento separado en caso de grandes deformaciones.
Esto sugiere una preformación temprana de las conchas de los fragmentos. Los modelos de punto de escisión pueden tener supuestos poco firmes. Sin embargo, coinciden con la observación. El modelo Argonne Scission-Point es clave. Utiliza conchas de fragmentos deformados. Incluye interacción a través de un cuello. Predice distribuciones de masa, carga y energía cinética. Cubre la dependencia de las emisiones de neutrones. No predice la probabilidad de fisión. O distribuciones angulares.
Las correcciones de caparazón se desvanecen con la energía de excitación. El comportamiento macroscópico toma el relevo.
Los números mágicos impulsan la fisión simétrica
Fermio-264 sufre una fisión simétrica. Las energías cinéticas de los fragmentos son inusualmente altas. ¿Por qué? Estabilidad de los números mágicos. 50 protones. 82 neutrones.
Se forman dos fragmentos de estaño-132. Esto es doblemente mágico. Se ve favorecido energéticamente. La fisión de uranio o plutonio a baja energía no favorece dos fragmentos de este tipo. Sólo uno.
Los fragmentos de estaño-132 son esféricos. No deformado. Configuración compacta en escisión. Centros de carga más juntos. Resultados de mayor energía cinética.
La física es clara. La estructura importa. Las superficies energéticas no son lisas. Tienen pozos. Y barreras. Y discontinuidades. Todavía los estamos mapeando.
Los efectos de las cáscaras siguen siendo críticos para el proceso de fisión. Esto es cierto ya sea que estemos mirando el sistema de fisión en el punto de silla o los fragmentos deformados cerca del punto de escisión. Estas propiedades de la mecánica cuántica ayudan a explicar muchas características observadas. Pero todavía nos falta una respuesta clara sobre la etapa exacta en la que se determinan las distribuciones de fragmentos.
Los ingredientes para una comprensión razonable de la fisión están ahí. Simplemente aún no se han sintetizado en una teoría dinámica completa.
La aproximación adiabática
Considere la dinámica del descenso. El sistema se mueve sobre una superficie de energía potencial desde el punto de silla hasta el punto de escisión. Una visión extrema es la aproximación adiabática. Este modelo supone que el movimiento colectivo del sistema es lento. O tal vez el acoplamiento entre los grados de libertad colectivos e internos de una sola partícula sea débil.
Si esto es cierto, los movimientos rápidos de una sola partícula pueden adaptarse fácilmente a los cambios en la forma del núcleo en fisión. Progresa hacia la escisión sin alterar su estado interno. Los cambios ocurren sin ganar ni perder energía térmica.
La disminución de la energía potencial entre los puntos de silla y de escisión aparecerá principalmente en los grados de libertad colectivos en la escisión y estará asociada con la energía cinética del movimiento relativo de los fragmentos nacientes.
Esto se conoce como energía cinética previa a la escisión. La energía se destina al movimiento de los fragmentos a medida que se separan.
Transferencia de energía no adiabática
El extremo opuesto implica un movimiento colectivo más rápido. O un acoplamiento más fuerte al movimiento de partículas. Aquí la energía colectiva se transforma en excitación interna. Esta se convierte en energía térmica para los nucleones.
Piense en ello como calentarse en el movimiento de un fluido viscoso. La fricción entre capas genera calor. En este proceso no adiabático, la mezcla entre los grados de libertad de una sola partícula puede ser completa. Un modelo estadístico podría ser aplicable en el punto de escisión.
El término medio
Ambos extremos son aproximaciones. Representan comportamientos complejos simplificados para el análisis. La evidencia experimental puede respaldar cualquiera de las interpretaciones dependiendo del núcleo específico o la energía involucrada.
La naturaleza rara vez encaja en cajas binarias. La verdad probablemente se encuentre en algún punto entre estos extremos. Es probable que tanto los mecanismos adiabáticos como los no adiabáticos desempeñen un papel en el proceso de fisión. La interacción entre los cambios de forma macroscópicos y los ajustes cuánticos microscópicos sigue siendo una de las cuestiones abiertas en la física nuclear. Conocemos las piezas. Simplemente aún no los hemos ensamblado.
La fisión no ocurre sólo una vez. Se propaga. Cuando un núcleo se divide, escupe neutrones. Si esos neutrones chocan contra otro átomo fisible, ese átomo también se divide. Libera más neutrones. La cadena crece. O muere.
La matemática detrás de esto es simple pero letal. Lo medimos con k, el factor de multiplicación. Es la proporción de fisiones entre una generación y la última.
- Si k es menor que 1, la reacción se desvanece.
- Si k es igual a 1, tienes un pulso constante. Una asamblea crítica.
- Si k es mayor que 1, la cadena explota. Supercrítico.
Un ensamblaje crítico no es sólo una masa de metal. Es un sistema cuidadosamente diseñado. Se necesita material fisible, normalmente metal u óxido. Necesitas un moderador para ralentizar los neutrones. Se necesita un reflector para hacer rebotar los neutrones perdidos en el núcleo y que no se escapen.
La física de la bomba versus la central eléctrica
En una bomba, la velocidad lo es todo. Quieres k lo más alto posible. Quieres que el tiempo entre pasos sea extremadamente pequeño. El objetivo es liberar energía masiva en unos 10^-7 segundos.
Considere la escala. Un kilogramo de uranio-235 sometido a fisión libera energía equivalente a 20.000 toneladas de TNT. Eso es un asesino de ciudades en un solo kilogramo.
Los reactores son diferentes. No quieren estallar. Quieren tararear. En un reactor de estado estacionario, k permanece en 1. ¿Pero en la práctica? No puedes mantenerlo exactamente en 1. Lo diseñas para que esté ligeramente por encima de 1.
¿Por qué? Porque las cosas se degradan.
El combustible se quema. Se agota. Se acumulan productos de fisión. Algunos de estos subproductos son “venenos”. Comen neutrones. Bajan k. Si comienzas exactamente en 1, el reactor se apaga antes de que obtengas energía útil. Comenzar ligeramente alto le permite compensar la pérdida de combustible y la acumulación de veneno.
También necesitas guardar algunos neutrones. Puede utilizarlos para investigación o para crear isótopos radiactivos para uso médico e industrial.
Las barras de control lo hacen posible. Se trata de varillas móviles hechas de materiales que absorben neutrones como el boro, el cadmio o el hafnio. Deslízalos hacia adentro y k cae. Sácalos y k sube.
Sin embargo, no es instantáneo. Gracias a los emisores de neutrones retardados entre los productos de fisión, existe un desfase entre generaciones de neutrones. Este pequeño retraso da tiempo a los operadores humanos y a los sistemas mecánicos para reaccionar. Sin él, controlar un reactor sería imposible.
Reactores Térmicos, Intermedios y Rápidos
No todos los reactores funcionan de la misma manera. Se clasifican según la energía de los neutrones que impulsan la cadena.
Reactores Térmicos
Estos son los más comunes. Se basan en neutrones “térmicos”. Se trata de neutrones lentos que se mueven a velocidades comparables a las de las moléculas de gas a temperatura ambiente.
La fisión produce neutrones rápidos. Energía cinética media superior a 1 MeV. Demasiado rápido para dividir eficientemente otros átomos de uranio-235. Necesitas frenarlos. Ese es el trabajo del moderador.
Moderadores comunes:
– agua corriente
– Agua pesada (D2O)
– Grafito
Reactores intermedios
Estos mantienen la cadena con neutrones de energía intermedia. Podrían utilizar berilio como moderador. Menos común, pero útil en diseños específicos.
Reactores rápidos
No se necesita moderador. Aquí, los neutrones rápidos de fisión hacen el trabajo. Mantienen la reacción en cadena sin disminuir la velocidad. Esto requiere diferentes composiciones y diseños de combustible, pero puede ser más eficiente en términos de uso de combustible.
Cada tipo necesita una forma de eliminar el calor. No se puede dejar seco un reactor. Los refrigerantes varían según el diseño:
– Agua
– gasolina
– metal líquido
La elección del refrigerante depende de las necesidades de presión, temperatura y estabilidad química.
Más allá de la electricidad: la utilidad de los productos de fisión
Una vez que el reactor está en funcionamiento y se gasta el combustible, los desechos no son sólo basura. Es un recurso. Los productos de fisión creados durante la operación contienen una gran cantidad de isótopos radiactivos.
Algunos de ellos son de corta duración y peligrosos. Otros son lo suficientemente estables como para ser cosechados.
Los isótopos médicos son un objetivo principal. El tecnecio-99m, utilizado en el diagnóstico por imágenes, suele ser un subproducto de la fisión. El yodo-131 trata las afecciones de la tiroides. El estroncio-90 alimenta radios y marcapasos remotos.
Las aplicaciones industriales son igualmente amplias. Los radioisótopos se utilizan en radiografía para inspeccionar costuras de soldadura en tuberías. Miden espesores en líneas de fabricación. Esterilizan equipos médicos sin calor, preservando materiales sensibles.
Los “residuos” desde una perspectiva son la materia prima para otra industria. El mismo proceso que genera energía también genera las herramientas para la medicina y la industria modernas.
La distinción entre producción de energía y producción material es artificial. En un ciclo bien diseñado, son dos salidas del mismo flujo de neutrones.
Un reactor nuclear es, en esencia, un horno. Genera vapor o gases calientes. Estos resultados hacen dos cosas. Proporcionan calor directo. O impulsan turbinas para hacer girar generadores de electricidad.
Esta es la historia conocida. Las centrales eléctricas comerciales utilizan esta tecnología a nivel mundial. La Armada lo utiliza para propulsar submarinos y buques de superficie. Pero la historia termina ahí sólo si nos fijamos en lo básico. La utilidad real de estas máquinas se extiende mucho más allá de la red.
Por qué es importante el alto flujo de neutrones
Los reactores desempeñan un papel fundamental en la ciencia de los materiales. Proporcionan intensos flujos de neutrones. Los científicos lo utilizan para estudiar cómo se comportan los materiales bajo tensión. Lo utilizan para sondear estructuras atómicas. Pero aquí hay otra salida. Una amplia gama de radionucleidos.
Estos radionucleidos no son sólo productos de desecho. Además de los productos de fisión, han encontrado numerosas aplicaciones. Puedes encontrarlos en tratamientos médicos. Puedes encontrarlos en radiografía industrial. El reactor es una fábrica de isótopos.
La ventaja de la batería atómica
El calor procedente de la desintegración radiactiva tiene otro truco. Se puede convertir directamente en electricidad. Esto sucede gracias al efecto termoeléctrico en los materiales semiconductores. El resultado es una batería atómica.
Estas no son como las baterías de tu teléfono. Son duraderos. Se basan en isótopos específicos. Algunos emiten partículas beta. El estroncio-90 es un ejemplo. El prometio-147 es otro. Otros emiten partículas alfa. El plutonio-238 encaja en esta categoría. También se utiliza curio-244.
¿Por qué utilizarlas en lugar de baterías solares o químicas? Porque funcionan sin luz solar. Trabajan en condiciones de frío extremo. Funcionan durante décadas sin mantenimiento.
Dónde los ponemos
Esto los hace ideales para lugares a los que los humanos no pueden llegar fácilmente. O lugares donde repostar es imposible.
Lleve marcapasos cardíacos. Los primeros modelos utilizaban estas baterías nucleares. Sobrevivieron al corazón humano. Mantuvieron con vida a los pacientes cuando fallaron otras fuentes de energía.
También son esenciales para instalaciones remotas no tripuladas. Pensemos en las sondas espaciales. Las misiones Voyager utilizaron fuentes de energía de plutonio-238. Los paneles solares no eran una opción tan lejos del sol.
Consideremos las regiones polares. El Ártico y la Antártida tienen inviernos largos. La luz del sol es escasa. Las baterías nucleares mantienen los instrumentos en funcionamiento.
Los mares abiertos presentan desafíos similares. Las estaciones de monitoreo de aguas profundas necesitan una fuente de energía que no tenga fugas ni se corroa rápidamente. Estos isótopos proporcionan estabilidad.
Impacto en el mundo real
Las aplicaciones de la radiactividad van más allá de la simple energía. También existen usos prácticos para otros radionucleidos. Ayudan a diagnosticar enfermedades. Esterilizan equipos médicos. Rastrean flujos de fluidos en pozos petroleros.
Cuando miras un reactor nuclear, ves más que una central eléctrica. Es una fuente de precisión. Es una herramienta para el descubrimiento. Es un sistema de soporte vital en los entornos más hostiles de la Tierra y más allá.
La ciencia es compleja. Las aplicaciones están por todas partes. Sólo hay que saber dónde buscar.
