E = m c2
Mediante técnicas muy precisas es posible
determinar la masa de un núcleo atómico formado por una cantidad de neutrones ( que llamamos N) y otra cantidad de protones (que llamamos Z),
es decir en total por A nucleones (A=N+Z). También se pueden
medir la masa de un protón aislado y la de un neutrón aislado. La sorpresa es
que la masa del núcleo resulta siempre menor que la suma de las masas de los
nucleones que lo constituyen.
Esto parece muy raro. En la vida cotidiana esto
sería equivalente por ejemplo a mezclar un kilo de harina con medio kilo de
manteca y que la pasta resultante pesara menos que un kilo y medio.
La masa que falta en los núcleos atómicos
cuando los formamos juntando todos los nucleones no ha desaparecido, sino que se
ha transformado en energía, como lo establece la famosa relación de Einstein "
E = mc2 ". Einstein dice, ¡y tiene razón!,
que la energía de un cuerpo (E) es igual a su masa (m)
multiplicada por la velocidad de la luz (c) al cuadrado. Cuando
desaparece una cantidad de masa, aparece una cantidad equivalente de energía.
En nuestra desaparición de masa al formar el núcleo, la energía que aparece
es llamada energía de unión. Esa energía de unión actúa como un
pegamento que une a los nucleones. Si quisiéramos separar (disociar) de vuelta
todos los nucleones tendríamos que hacer fuerza a medida que los separamos, es
decir tendríamos que hacer trabajo. El trabajo total que haríamos en ese caso
sería igual a la energía de unión.
La energía de unión por nucleón, es
decir la energía de unión dividida por el número de nucleones (A), nos
indica cuánta masa perdió en promedio cada nucleón presente en el núcleo, y
nos da idea de cuán "pegados" están los nucleones entre sí. Cuanto
más grande es la energía de unión por nucleón, más agarrados están unos a
otros y más difícil es separarlos.
No sabemos por qué esto es así, pero sabemos
que la energía de unión por nucleón no es igual para todos los elementos: es
pequeña para núcleos livianos (cerca del hidrógeno), se hace máxima para núcleos
intermedios (cerca del hierro) y se vuelve a achicar para núcleos pesados
(plomo, uranio). Esto indica que los núcleos más difíciles de disociar son
justamente los núcleos medios, ya que su pérdida de masa por nucleón es la más
grande.
Toda transformación de núcleos que conduzca a
la formación de núcleos intermedios producirá entonces energía. Por ejemplo,
si lográramos partir un núcleo de plomo en dos, los dos núcleos resultantes
serían intermedios y en el proceso se liberaría energía. Si lográramos
juntar dos núcleos de azufre (livianos), también formaríamos un núcleo
intermedio y también obtendríamos energía. En cambio deberíamos gastar mucha
energía en producir azufre partiendo un núcleo intermedio o en producir plomo
juntando dos núcleos intermedios.
Estas transformaciones que pueden ocurrir en los
núcleos de los átomos, y que consisten fundamentalmente en juntar o separar
nucleones y/o grupos de nucleones se denominan reacciones nucleares. La
energía liberada en las reacciones nucleares es la energía nuclear.
A lo largo de millones y millones de siglos las
reacciones nucleares se van produciendo naturalmente en el universo. A medida
que se van formando núcleos intermedios es muy difícil que ellos se destruyan
por otras reacciones nucleares, ya que es más fácil que ocurra una reacción
que produzca energía que otra que necesite energía (como es más fácil bajar
una escalera que subirla). Esto explica por qué las estrellas más viejas
tienen mucho hierro.
La fusión y la fisión
nucleares
La fusión y la fisión son dos procesos que
liberan energía nuclear. La energía nuclear liberada en las reacciones de fusión
y fisión debe distinguirse claramente de la energía química liberada en el
quemado de combustibles fósiles (petróleo, gas natural y carbón). La energía
liberada en cada reacción nuclear es muchos miles o millones de veces
(dependiendo de la reacción) mayor que la energía liberada en las reacciones
químicas. Veamos cómo se genera la energía nuclear a partir de las reacciones
de fusión y fisión.
Cuando se fusionan (unen) 2 núcleos que poseen
menos de 60 nucleones, el núcleo resultante tiene una masa menor que la suma de
las correspondientes a los núcleos originales. Un ejemplo es la fusión de un núcleos
de deuterio (que tiene 2 nucleones) con uno de tritio (que tiene 3 nucleones).
Esto es sorprendente si comparamos con lo que
sucede en las reacciones químicas que liberan energía, en las que no hay una
reducción de masa. Por ejemplo, cuando se quema la nafta en el motor de un
automóvil, la suma de las masas de los productos finales (fundamentalmente
gases) es igual a la masa de la nafta y el aire que se quemaron. En cambio, las
cosas suceden de una manera muy diferente cuando se unen estas pequeñísimas
partículas que son los núcleos de los átomos: en estos casos los productos
finales pesan menos que los ingredientes.
Cuando se fisiona (divide) un núcleo de más de
60 nucleones, la suma de las masas de los núcleos resultantes es menor que la
masa del núcleo original. Un ejemplo es la fisión de un núcleo de uranio 235
(tiene 235 nucleones).
En ambos casos la masa final es menor que la
inicial. La masa "perdida" se transforma en energía de acuerdo con la
famosa ecuación de Einstein:
E = Dm c2
donde Dm es la diferencia entre la masa inicial y
la final y c es la velocidad de la luz. Tanto cuando se unen dos núcleos para
formar uno solo (fusión), como cuando un núcleo se separa en dos (fisión), se
libera una gran cantidad de energía.
¿Cómo ocurre la fusión?
El proceso de fusión está controlado por dos
clases de fuerzas, la fuerza eléctrica y la fuerza nuclear. La fuerza eléctrica
actúa hasta grandes distancias y hace que los núcleos, que tienen carga
positiva, se repelan. La fuerza nuclear actúa a distancias extremadamente
cortas y hace que los núcleos se fusionen.
Para que ocurra la fusión es necesario que los núcleos
se acerquen hasta distancias extremadamente pequeñas, de modo que la fuerza
nuclear comience a actuar, "venciendo" la repulsión eléctrica. Para
lograr el acercamiento necesario los núcleos deben chocar a altas velocidades.
Los átomos y los núcleos se mueven tanto más rápidamente cuanto más elevada
es su temperatura. Esto significa que si se calienta suficientemente un
combustible adecuado, por ejemplo una mezcla de deuterio y tritio, la
temperatura hará que las velocidades de los núcleos sean suficientemente altas
como para que la fusión se produzca: se habla entonces de fusión termonuclear.
Para que el deuterio y el tritio comiencen a
fusionarse en cantidades significativas se requieren temperaturas superiores a
los 10 millones de grados centígrados. A estas temperaturas los átomos chocan
con tanta fuerza que se rompen, separándose el núcleo (positivo) de los
electrones (negativos). Una mezcla de partículas con carga positiva y negativa
en cantidades aproximadamente iguales se conoce como plasma. El estado de plasma
constituye el cuarto estado de la materia, junto con los más conocidos sólido,
líquido y gaseoso.
Si bien no somos conscientes de su presencia, los
plasmas aparecen en muchas situaciones de nuestra vida diaria. Por ejemplo, en
los tubos fluorescentes, en los carteles luminosos y en el arco producido por
una soldadora eléctrica la velocidad de las partículas es muy inferior a la
requerida para que ocurra fusión pero suficientemente alta como para que haya
pequeñas cantidades de plasma. Entre los plasmas "naturales" a escala
terrestre, podemos mencionar las auroras y los relámpagos y rayos.
En las estrellas, por ejemplo nuestro Sol, la
temperatura es suficientemente alta como para que se produzcan muchas reacciones
de fusión. En el centro del Sol la temperatura es de varias decenas de millones
de grados, lo que permite la fusión de núcleos livianos. Una muy pequeña
parte de esta gran cantidad de energía producida en el Sol llega a la Tierra,
fundamentalmente como radiación electromagnética, y es el soporte de la vida
en ella. El Sol es un gran reactor nuclear natural donde la fusión se mantiene
permanentemente. En las estrellas más grandes que el Sol, las temperaturas son
todavía mas grandes, permitiendo la fusión de núcleo más pesados y dando
como resultado la producción de nuevos núcleos de Oxígeno, Carbono, y hasta
de Hierro.
¿Cómo ocurre la fisión?
En una famosa película de los años 70
("Adiós al amigo") Charles Bronson ganaba apuestas llenando un vaso
de agua al ras y poniendo dentro del vaso varias monedas grandes sin que el agua
se derramara. El nivel del agua superaba ampliamente el borde del vaso, pero el
fenómeno de la "tensión superficial" impedía que el agua
cayera, siempre y cuando el pulso de Bronson no le hiciera agitar la superficie
del agua. Bastaba una simple perturbación para que el agua fuera a parar donde
corresponde, es decir cayera a una posición de menor energía potencial.
Los núcleos con alto número de masa, es decir A
cercano a 200, están menos unidos que los intermedios (A próximo a 60), por lo
que la división de núcleos pesados en núcleos más livianos es un proceso
favorecido por la naturaleza. Naturalmente (como el agua que corre hacia abajo)
los núcleos pesados deberían partirse en dos mediante la reacción nuclear
llamada fisión (ver ficha de fusión y fisión).
Sin embargo, un efecto similar al de la tensión
superficial del vaso de la película, conocido como "barrera de fisión"
impide que los núcleos pesados se partan espontáneamente (salvo en casos muy
raros, en los que se produce la llamada "fisión espontánea"), sino
que se necesita una perturbación que desencadene el proceso, en forma análoga
a lo que sucedía al vaso de Charles Bronson. Si se choca al núcleo con un
neutrón o con un fotón gamma (g) se puede lograr producir la
perturbación que vence la barrera de fisión y entonces el núcleo fisiona.
Cuando ello sucede estamos en presencia de una Fisión inducida.
Sea cual fuere el origen de la fisión, espontánea
o inducida, el resultado es el mismo: el núcleo se parte y aparecen
radiaciones, partículas y energía.
Cuando un núcleo pesado como el de uranio 235 se
parte, ocurre una fisión Nuclear. Las dos partes en que se divide el núcleo
se llaman fragmentos de fisión: son isótopos radioactivos. En el mismo
momento de la fisión se emite además radiación beta (b) y radiación gamma
(g) y también se producen varios neutrones y unas partículas
llamadas neutrinos. Posteriormente, y en tiempos que van desde los
milisegundos hasta algunos minutos, se producen nuevas emisiones de radiación
gamma y beta, e incluso algunos neutrones.
En el instante de la fisión se libera una
importante cantidad de energía, que se distribuye entre los neutrinos, la
radiación beta y la radiación gamma, la energía cinética de los neutrones y,
principalmente, la energía cinética de los fragmentos de fisión. Esta energía
nuclear está originada en la transformación de parte de la masa del Uranio 235
y es alrededor de 20.000.000 de veces más grande que la energía química
proveniente de la unión de un átomo de carbono con 2 de oxígeno en la
combustión del carbón. La energía nuclear es tan formidablemente
grande que la fisión de 1 Kilogramo de Uranio 235 produce tanta energía como
el quemado de 600 toneladas de carbón mineral o petróleo.
La producción de neutrones en una reacción de
fisión es lo que permite la aplicación tecnológica del proceso de fisión:
con un neutrón se induce la fisión, se produce energía y se recupera el neutrón
para utilizarlo en una nueva fisión. Esto que parece muy simple tiene atrás
todo un campo de trabajo que se conoce como Ingeniería Nuclear.
Reacción en cadena
automantenida
Cuando ocurre una fisión nuclear, además de la
liberación de una gran cantidad de energía y la aparición de varias partículas,
se producen algunos neutrones. Los neutrones producidos en la fisión tienen
energía cinética grande, ya que su velocidad promedio aproximada es de 20.000
km./seg., es decir casi un 7% de la velocidad de la luz.
La cantidad de neutrones que se producen en la
fisión no puede predecirse de antemano exactamente, ya que en algunas fisiones
no se produce ninguno, en otras 1, 2, y hasta 5 ó 6 neutrones. En promedio se
producen 2,4 neutrones por cada fisión inducida por un neutrón
"lento", es decir neutrones cuya velocidad es aproximadamente 2.200
m/s. Se podría decir que en promedio de cada 1.000 fisiones se producen 2.400
neutrones. El caso se parece a encontrar por ejemplo cuántos puntos totalizará
un jugador en 1000 tiradas de un dado que tiene como máximo 6 puntos en una de
sus caras: uno no lo pude precisar con exactitud, pero seguramente el resultado
no estará lejos de 3.500, ya que en promedio sacará 3,5 puntos por tirada.
Algunos de estos neutrones se fugarán, es
decir saldrán de la región donde está el uranio. Otros reaccionarán con núcleos
absorbentes y serán absorbidos (desaparecerán). Algunos chocarán con las
moléculas de un moderador, normalmente agua o agua pesada que los frena,
les quita velocidad (llevándolos de 20.000 km./seg. a 2.200 m/seg., ya que son
los neutrones lentos los más adecuados para inducir las fisiones) y los dispone
para que puedan producir una nueva fisión. Si se logra que de
cada 1.000 fisiones (que generan 2.400 neutrones) se produzcan 1400 absorciones
y/o fugas, entonces habrá 1000 nuevas fisiones, que a su vez generarán 2400
nuevos neutrones y así sucesivamente se permite indefinidamente el
mantenimiento de la reacción. A este proceso se lo llama reacción en cadena
automantenida.
Las fugas estarán vinculadas con la forma y
dimensiones de la región donde está el uranio, y serán mayores cuanto mayor
sea la relación superficie/volumen.
Las absorciones dependerán de la disposición de
material absorbente de neutrones (qué elementos, qué isótopos, en qué
concentraciones, en qué forma, etc.)
La capacidad de moderación (es decir de frenar
la velocidad de los neutrones) dependerá de la cantidad de isótopos livianos
presentes, su densidad y su disposición geométrica (es decir como están
ubicados).
La capacidad de fisionar dependerá de cuánto
uranio 235 hay y cómo está dispuesto.
Todas estas variables están vinculadas entre sí,
y existen además variables como la temperatura que influye sobre todas las demás.
Esto hace que el diseño de sistemas en los que se automantiene una reacción en
cadena requiera una gran multiplicidad de conocimientos.
Autor: Dr. Ricardo Farengo / Fuente: Instituto Balseiro - CNEA |
