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Reacciones nucleares

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

 

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