Fisión Nuclear

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Fisión Nuclear

La fisión nuclear es la deformación extrema de un núcleo muy grande seguida de la división del núcleo en núcleos más ligeros, predominantemente dos fragmentos más ligeros, junto con una gran liberación de energía. La fisión es un proceso de desintegración natural de isótopos pesados y también puede ser inducida por la absorción (véase su concepto jurídico) de partículas, como neutrones, protones o fotones, en condiciones adecuadas.Entre las Líneas En términos más generales, la fisión es el resultado de la alteración del delicado equilibrio entre la fuerza nuclear de atracción y la fuerza de Coulomb de repulsión dentro de un núcleo grande, y está impulsada por el hecho de que la energía de enlace nuclear es máxima para los núcleos de masa media. El desarrollo de la física nuclear y del proceso de fisión durante el siglo XX ha desempeñado un importante papel en el sector técnico, por ejemplo, en lo que respecta a la producción de electricidad y a las terapias médicas, además de afectar al desarrollo cultural y a la toma de decisiones políticas. Véase también: Núcleo atómico; Excitación culombiana; Energía; Isótopo; Física nuclear; Fotón

Breve historia

El descubrimiento de la fisión, experimentado a finales de 1938 y explicado teóricamente a principios de 1939, representó la culminación de décadas de trabajo en los campos en desarrollo de la radiactividad y la física nuclear. Un acontecimiento clave se produjo en 1934, cuando el físico estadounidense de origen italiano Enrico Fermi afirmó que la captura de neutrones por parte de un isótopo podía dar lugar, con el tiempo, a un núcleo residual de número atómico, Z, una unidad superior al del isótopo, dando lugar así a nuevos elementos radiactivos. El radioquímico alemán Otto Hahn, la física sueca de origen austriaco Lise Meitner y el químico alemán Fritz Strassmann aplicaron posteriormente esta novedosa técnica de irradiación de neutrones para crear elementos transuránicos, es decir, elementos con un número atómico superior al del uranio (Z = 92), el elemento más pesado presente en la naturaleza. Véase también: Número atómico; Neutrón; Uranio

Aunque esta empresa acabó teniendo éxito, al principio produjo resultados químicos confusos al parecer producir también un elemento más ligero, el bario (Z = 56), en rendimientos muy elevados. Mediante meticulosas técnicas radioquímicas, Hahn y Strassmann confirmaron en 1939 que el bario estaba efectivamente presente entre los productos, junto con muchos otros núcleos de masa intermedia, tras el bombardeo del uranio por neutrones. Sus trabajos revelaron además que la energía liberada en el bombardeo era de órdenes de magnitud superiores a cualquier desintegración conocida hasta entonces. Ida Noddack, otra química alemana que había trabajado con Fermi, había propuesto anteriormente que se podían formar elementos más ligeros mediante este tipo de bombardeo. Sin embargo, fueron Meitner y el físico británico de origen austriaco Otto Frisch, ahora apoyados por los resultados indiscutibles de Hahn y Strassmann, quienes proporcionaron la comprensión correcta de los hallazgos experimentales contraintuitivos en 1939. Explicaron que los núcleos de uranio tras la captura de neutrones son altamente inestables y se dividen en un proceso que Frisch acuñó como “fisión”, en analogía con el proceso biológico de la división celular.

Energía de enlace nuclear

Cuando un conjunto de nucleones libres (protones y neutrones) se unen, el núcleo que se forma tiene menos masa que la suma de las masas de los nucleones libres individuales. Esta diferencia de masa se emite en forma de energía y se denomina energía de enlace de ese núcleo. La energía de enlace que se libera durante la formación de un núcleo es la que habría que suministrar para descomponer el núcleo de nuevo en sus componentes individuales. La energía de enlace media es de aproximadamente 8 MeV por nucleón añadido para los núcleos estables, y disminuye lentamente para los isótopos exóticos de un elemento determinado. Un examen cuidadoso de la variación de la energía de enlace por nucleón (BE/A) con la masa total, tiene el interesante comportamiento de un rápido incremento seguido de un lento descenso. Una mayor energía de enlace por nucleón implica un núcleo más unido y, por tanto, más estable. El pico de estabilidad puede verse que ocurre alrededor de la masa A = 56.Entre las Líneas En consecuencia, es posible que un núcleo de mayor masa (A > 56) encuentre energéticamente favorable convertirse en un sistema más estable rompiendo en fragmentos más ligeros cerca de este pico. Las pequeñas energías de enlace de los núcleos más ligeros no favorecen la ruptura en muchos fragmentos pequeños. La transformación de un núcleo muy pesado en dos fragmentos mayores es el proceso de fisión, y la diferencia de energía de enlace (o, equivalentemente, de masa) entre el núcleo inicial y el sistema final proporciona la gran liberación de energía de la fisión. Véase también: Masa; Energía de enlace nuclear; Núcleo

Modelo de gota líquida

La primera descripción de un núcleo que pudo caracterizar con éxito la curva de energía de enlace fue el llamado modelo de gota líquida cargada. A mediados de la década de 1930, una serie de experimentos habían demostrado que los núcleos son generalmente esféricos e incompresibles, lo que recuerda a una gota de líquido, y los nucleones podrían ser vistos de forma análoga a las moléculas. Este tratamiento fenomenológico del comportamiento colectivo del núcleo global fue desarrollado por primera vez por el físico estadounidense de origen ruso George Gamow, el físico alemán Werner Heisenberg y el físico teórico alemán Carl Friedrich von Weizsäcker.

El modelo fundamental de gota líquida proporciona una ecuación paramétrica para la energía de enlace que contiene los cinco términos siguientes:

• Término de volumen: Cada nucleón siente la misma atracción de sus vecinos más cercanos debido a la fuerza fuerte. Este término proporciona la estabilidad global del núcleo.
• Término de superficie: Una corrección del término de volumen que resulta del tamaño finito del núcleo. Algunos nucleones deben residir en la superficie nuclear o cerca de ella y, por tanto, tienen menos vecinos cercanos que los nucleones del interior y, por tanto, están menos unidos. Este término es entonces proporcional a la superficie nuclear y reduce la energía de enlace global. Este efecto crea la tensión superficial a lo largo de la “piel” de una gota.
• Término de Coulomb: Término de repulsión que tiende a perturbar el núcleo y, por tanto, reduce la energía global de enlace. El núcleo contiene protones muy próximos entre sí, cada uno de los cuales tiene una repulsión electrostática por cada uno de los otros protones del núcleo.
• Término de simetría: Término de corrección mecánica cuántica que surge en parte del principio de exclusión de Pauli. Los protones y los neutrones son tipos de partículas distinguibles y, por tanto, pueden existir en los mismos estados cuánticos. Siempre es energéticamente favorable para un núcleo llenar primero los estados cuánticos más bajos y, por tanto, un número igual de protones, Z, y de neutrones, N, residiría en los mismos estados y estaría muy cerca, lo que aumenta la fuerza de atracción nuclear. Cuanto mayor sea la asimetría entre los números de protones y neutrones, más reducirá este término la energía de enlace. Véase también: Principio de exclusión.
• Término de emparejamiento: Corrección cuántica final debida al momento angular intrínseco (espín) de los nucleones para tener en cuenta el hecho de que los nucleones emparejados (con espines opuestos) se unen más que los no emparejados. Este término depende por separado del número de protones y neutrones y, por lo tanto, puede sumarse, no tener ningún efecto o restar energía de enlace nuclear global, dependiendo de si Z y N son ambos pares, si Z o N son impares, o si ambos Z y N son impares, respectivamente.

En definitiva, el modelo de gota líquida sigue siendo una aproximación, pero predice con mucho éxito las tendencias generales de la energía de enlace nuclear.

Meitner y Frisch aplicaron esta interpretación de gota líquida para explicar su descubrimiento de la fisión en 1939.Entre las Líneas En concreto, predijeron que una perturbación externa, como la absorción (véase su concepto jurídico) de un neutrón incidente, puede crear ondas superficiales que conducen a un cambio en la forma de una gota líquida o núcleo. Una vez perturbado el delicado equilibrio energético de la gota líquida redonda, la fuerza de Coulomb entre los protones puede provocar un alargamiento de la gota. Si la deformación producida es lo suficientemente grande, la repulsión de Coulomb entre las porciones alargadas de la gota puede producir una estructura de dos lóbulos y empujar los lóbulos más lejos hasta que la tensión superficial sea totalmente superada. La fuerza de Coulomb puede entonces llevar al sistema al punto de escisión, donde el cuello de la estructura desaparece, causando una división completa, o fisión, de la gota nuclear inicial en dos gotas.

Ese mismo año, el físico danés Niels Bohr y el físico teórico estadounidense John Archibald Wheeler realizaron los primeros cálculos exhaustivos sobre la fisión nuclear utilizando este modelo y demostraron cuantitativamente la importante competencia en el proceso de división entre la fuerza electrostática repulsiva de Coulomb y la tensión superficial atractiva del núcleo. Desde entonces se han desarrollado modelos mecánicos cuánticos y estadísticos detallados para continuar el estudio y la descripción del complejo proceso de fisión. La fisión nuclear sigue siendo un área de investigación activa hasta el día de hoy debido a la complejidad del proceso y a la interacción de la mecánica cuántica y las fuerzas macroscópicas, con trabajos aún por hacer por parte de experimentadores, teóricos y científicos computacionales. Véase también: Mecánica cuántica

Características de la fisión

Distribución de la masa de los fragmentos

Cada evento de fisión puede ser diferente, y los fragmentos de fisión del proceso de división no están determinados de forma única, sino que siguen una trayectoria estadística aleatoria. Es decir, cada núclido/isómero (producto) tiene una cierta probabilidad, denominada rendimiento de fisión independiente, de que se produzca por fisión, normalmente dada en forma de porcentaje. Este rendimiento independiente depende también del núcleo padre que se fisiona, así como del tipo de perturbación (absorción de neutrones térmicos, absorción (véase su concepto jurídico) de neutrones rápidos, etc.) que conduce a la fisión. Como ejemplo, pueden darse o describirse tres distribuciones de rendimiento de fisión independientes en función de la masa, A, para la fisión inducida por neutrones. Las distribuciones globales tienen un doble pico, enfatizando que la fisión generalmente produce dos fragmentos de fisión. Además, puede observarse que la fisión en fragmentos iguales o casi iguales (A1 ≃ A2) es muy improbable en estos casos y, en cambio, generalmente se produce un fragmento ligero (A1 ∼ 100) con un fragmento pesado (A2 ∼ 132). Las ubicaciones exactas de los picos de alta masa corresponden a isótopos con altas energías de enlace predichas a partir de los efectos de la cáscara cuántica y permanecen fijas, aunque el complejo camino hacia la fisión da una variedad de fragmentos. La producción de fragmentos de igual masa a partir de blancos de actínidos se hace más probable sólo cuando las partículas que inducen la fisión se vuelven muy energéticas.

La fisión ternaria (tres fragmentos) es posible pero rara (∼ 0,4% de probabilidad por fisión) y la fisión cuaternaria es aún más rara.

Emisión de neutrones

La conservación de protones y neutrones se mantiene necesariamente durante todo el proceso de fisión, lo que da lugar a fragmentos de fisión (es decir, núcleos) extremadamente ricos en neutrones. Los fragmentos de fisión se desprenden de este exceso de neutrones a través de la emisión de uno o más neutrones en el instante de la fisión, entre 10 y 16 segundos después de un evento de perturbación. Como punto de referencia, la división del núcleo se produce en aproximadamente 10-20 segundos después de un evento de perturbación. Estos neutrones que se desprenden rápidamente se conocen como neutrones rápidos, y el número de ellos emitidos en cada evento de fisión se denomina multiplicidad de neutrones. La multiplicidad de neutrones sigue una distribución aproximadamente de Poisson para cada núcleo en fisión, pero su magnitud es una función de los fragmentos específicos resultantes. Los valores observados experimentalmente para la multiplicidad neutrónica media incluyen 2,48 para el 233U, 2,42 para el 235U y 2,86 para el 239Pu.

Además de los neutrones rápidos, la emisión de neutrones retardados es otra posibilidad tras un evento de fisión. Los neutrones retardados pueden ser emitidos después de que un fragmento de fisión experimente una desintegración beta.Entre las Líneas En comparación con los neutrones rápidos, la emisión de neutrones retardados se produce en una escala de tiempo mucho más larga, del orden de segundos. La intensidad total de los neutrones retardados se aproxima a 1 por cada 100 fisiones. Véase también: Emisión de neutrones beta retardados

Los núcleos que se producen a partir de fragmentos de fisión tras la emisión de neutrones rápidos se distinguen como productos de fisión. Cuando cesa la emisión de neutrones, todavía puede producirse la emisión de rayos gamma para desexcitar aún más el producto de fisión y la desintegración beta se producirá según sea necesario para llevar el sistema a la estabilidad. Véase también: Rayos gamma

Energía de fisión

La energía liberada en los eventos de fisión, calculada a partir de la diferencia de masa entre el sistema inicial y los productos según el principio de equivalencia masa-energía, es de unos 180-190 megaelectronvoltios (MeV). Otros 10-20 MeV se liberan por la emisión de neutrones y rayos gamma, lo que da la regla general de que un evento de fisión típico libera aproximadamente 200 MeV. Como referencia, una reacción de fisión produce alrededor de un millón de veces más energía por unidad de masa que las reacciones químicas. Véase también: Electronvoltio

La mayor parte de la energía de fisión, alrededor del 80%, se transporta como energía cinética y energía de excitación de los fragmentos de fisión. Sin embargo, las energías de los fragmentos de fisión tampoco son únicas, y en un evento de fisión (incluso uno que produzca fragmentos de la misma masa), las energías de los fragmentos resultantes pueden no ser equivalentes. Mejorar las predicciones de los rendimientos de fisión, las energías cinéticas, las energías de excitación, el tiempo, la carga eléctrica de los fragmentos, etc., es fundamental para los esfuerzos actuales de modelización de la fisión.

Secciones transversales de fisión

Los núcleos más pesados tienen energías de enlace positivas y, por tanto, existe una energía de activación o “barrera de fisión” asociada al inicio del proceso de fisión. Un núcleo puede fisionarse espontáneamente cuando su energía de excitación es mayor que la de la barrera de fisión. Esta barrera puede considerarse como un potencial mecánico cuántico, para una dimensión, que surge como resultado de los efectos competitivos de la tensión superficial y la repulsión electrostática. La caracterización cuantitativa de la barrera de fisión, sin embargo, es un tema extremadamente complejo y no está bien representado por el modelo fenomenológico básico de gota líquida. Una complejidad añadida es que la mecánica cuántica permite el “túnel” a través de las barreras incluso cuando la energía de excitación es menor que la energía de la barrera. La probabilidad de tunelización aumenta exponencialmente a medida que la energía se acerca al tope de la barrera, y algunos de los núcleos más pesados sufren una fisión espontánea sin ninguna perturbación externa. Véase también: Túnel en los sólidos

Los núcleos pueden clasificarse en función de si tendrán o no energía de excitación suficiente para fisionarse tras absorber un neutrón incidente de energía cero:

• Los núcleos fisionables, como el 235U, pueden absorber un neutrón de energía cinética nula y alcanzar una energía de excitación ya por encima de la barrera de fisión.
• Los núcleos fisionables, como el 238U, tienen un umbral de fisión y requieren que el neutrón incidente aporte energía cinética adicional para superar la barrera de fisión.

Esta propiedad de fisión frente a la de fisionabilidad da lugar, en general, a dos magnitudes diferentes de la sección transversal de fisión (similar a la probabilidad de reacción), que muestra la fisión inducida por neutrones del 235U y del 238U.Entre las Líneas En particular, las formas de las dos curvas son algo similares, y ambas aumentan a bajas energías que son inversamente proporcionales a la velocidad del neutrón. El 235U tiene una probabilidad de fisión muy alta en la región térmica. El 238U tiene una probabilidad de fisión muy baja en la región térmica, y sólo a partir de cierto umbral, a energías neutrónicas más altas, las probabilidades de fisión entre los dos isótopos de uranio se vuelven similares.Entre las Líneas En consecuencia, el término de emparejamiento en el modelo de gota líquida es fundamental para explicar el comportamiento fisible o fisionable de los núcleos.Entre las Líneas En este caso, la captura de neutrones en el 235U produce un núcleo par y más energía de excitación que la captura de neutrones por el 238U, que produce un núcleo par.

Basado en la experiencia de varios autores, mis opiniones, perspectivas y recomendaciones se expresarán a continuación (o en otros lugares de esta plataforma, respecto a las características en 2026 o antes, y el futuro de esta cuestión):

Aplicaciones de la fisión

Cada neutrón emitido como resultado de un evento de fisión es capaz de producir otro evento de fisión si es capturado en un núcleo pesado vecino, que a su vez podría producir más neutrones que podrían dar lugar a más fisiones, y así sucesivamente. Este proceso se conoce como reacción en cadena.

Cuando k = 1, cada suceso de fisión da lugar a otro suceso de fisión por término medio y la reacción en cadena continúa y se denomina crítica. Una reacción en cadena crítica se encuentra en estado estacionario. Esto contrasta con cuando k < 1, llamada subcrítica, cuando la fisión del material no puede continuar indefinidamente y finalmente la reacción se detiene. Tampoco se alcanza un estado estacionario cuando k > 1, una condición llamada supercrítica, cuando se producen más y más neutrones en cada etapa de la fisión, lo que provoca una reacción en cadena inestable y fuera de control. Véase también: Reacción en cadena (física)

El mantenimiento de un entorno de fisión crítico con el combustible, la geometría, el refrigerante, los absorbentes de neutrones y los parámetros de los materiales adecuados permite una liberación sostenida y constante de energía, que es la base de los reactores de fisión generadores de energía.Entre las Líneas En resumen, los reactores de potencia son dispositivos para extraer la energía cinética de los fragmentos de fisión en forma de calor y convertir la energía térmica en energía eléctrica, generalmente hirviendo agua y accionando una turbina con el vapor resultante. Es importante señalar que las emisiones de neutrones retardados, aunque de pequeña intensidad, son esenciales para el control de los reactores nucleares. Ningún sistema mecánico podría responder con la suficiente rapidez como para evitar que las variaciones estadísticas de los neutrones rápidos provoquen el descontrol del reactor, pero sí es posible lograr un control mecánico utilizando los neutrones retardados. Véase también: La energía nuclear

Fermi dirigió un equipo que creó la primera reacción nuclear en cadena artificial sostenida del mundo con el llamado reactor nuclear Chicago Pile-1 en 1942.Entre las Líneas En ocasiones también se han formado reactores nucleares naturales, como en la mina de uranio de Oklo, en Gabón (África), donde se descubrió que hace casi 2.000 millones de años se produjeron reacciones de fisión sostenidas en el transcurso de 300.000 años. Véase también: Reactor nuclear

Los reactores de fisión también son esenciales para la producción de isótopos médicos. De los productos de fisión de los reactores pueden extraerse grandes cantidades de isótopos terapéuticos y de diagnóstico, como el 99Mo/99mTc, que se utilizan en todo el mundo en clínicas y hospitales. Véase también: Medicina nuclear; Radiología

La supercriticidad, y el consiguiente aumento exponencial de la liberación de energía, es la base de las bombas atómicas (de fisión) y de las bombas termonucleares (de hidrógeno) de dos fases. Los materiales, la geometría, el tiempo, las propiedades del combustible y los controles de estos sistemas de armamento son intrínsecamente diferentes de los de los reactores de fisión comerciales. Véase también: Bomba atómica; Bomba de hidrógeno; Explosión nuclear; Reacción termonuclear

La fisión desempeña además un papel en la nucleosíntesis estelar para terminar el proceso de captura rápida de neutrones (proceso r). Véase también: Nucleosíntesis

Datos verificados por: Thompson
[rtbs name=”ciencias”] [rtbs name=”fisica”] A continuación se examinará el significado.

¿Cómo se define? Concepto de Fisión nuclear

Véase la definición de Fisión nuclear en el diccionario.

Características de Fisión nuclear

Recursos

Traducción de Fisión nuclear

Inglés: Nuclear fission
Francés: Fission nucléaire
Alemán: Kernspaltung
Italiano: Fissione nucleare
Portugués: Fissão nuclear
Polaco: Rozszczepienie jądra

Tesauro de Fisión nuclear

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Véase También

• Energía nuclear
• Materia radiactiva
• Combustible nuclear

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