LA FISION NUCLEAR
La fision nuclear es la base del desarrollo de la energia
nuclear,cuando un nucleo de uranio 235 es bombardeado con neutrones,aun de baja
energia,se produce una violenta inestabilidad que hace que el nucleo se divida
en dos fragmentos aproximadamente iguales.Una reaccion nuclear en cadena es
posible porque aparte de los dos fragmentos liberados se emiten neutrones y en
este caso particular del uranio 235 los neutrones son suficientes como para
causar una nueva fision.Con otros nucleos es frecuente utilizar gran cantidad
de energia para producir la fision,por ejemplo elementos tal como el radio o el
bismuto necesitan ser bombardeados con particulas alfa de gran energia (40
Mev).En el otro extremo,elementos hechos por el hombre tal como el californio
252 produce fision espontaneamente y no se necesita del bombardeo de
neutrones,el californio 252 tambien emite neutrones durante la fision.
El fenomeno de la fision del uranio fue descubierto en Berlin por Hahn y
Strassmann en 1939,que llevados por una evidencia quimicas, como la produccion
de BARIO,sospecharon
de la posibilidad de la division del nucleo de uranio en dos partes
aproximadamente iguales,ellos comunicaron estos resultados a una colega ,Lise
Meitner que se escapa de Alemania a Suecia por las persecuciones,con su sobrino
Otto Frisch discuten las implicaciones del experimento y preveen que unas de
las consecuencias es la gran cantidad de energia liberada en el proceso de
fision,Meitner y Frisch sugirieron que la energia liberada durante la reaccion
era del orden de 200 Mev.
El fisico italiano Enrico Fermi escapado de Italia llega a duras penas a
los Estados Unidos en enero de 1939,al mismo tiempo que las nuevas noticias del
descubrimiento de la fision del uranio.Los acontecimientos fueron comunicados a
Niels Bohr,que aprecio inmediatamente los fundamentos de la fision,el tambien
viajo a los Estados Unidos y transmitio la noticia en forma apurada a la
Universidad de Columbia y deseo discutir el tema con Fermi,la reaccion era tan
violenta que los neutrones liberados podrian producir otras fisiones y el
proceso se repetiria,si las circunstancias son suficientemente faborables una
gran cantidad de energia se liberaria.
El proceso de la fision se muestra en la siguiente figura:( el lector
puede ver una figura describiendo el mismo proceso en FISION
(1) ).
El nucleo de uranio 235 absorbe un neutron termico,produciendose un
nucleo de uranio 236,este nucleo se fisiona y se separa en dos
fragmentos,ademas se emite dos neutrones ,estos fragmentos son de Xe-140(Xenon)
y de Sr-94(Estroncio).La ecuacion que describe este proceso,es una igualdad que
representa la reaccion nuclear,en el primer miembro se escriben los cuerpos que
reaccionan y en el segundo los que se producen,el signo de la igualdad se
sustituye a menudo por una flecha cuya direccion indica el resultado obtenido:
La primera
ecuacion describe el proceso de absorcion de un neutron por el nucleo de U-235
transformandose en U-236 y la segunda,la fision del U-236 en Xenon,Estroncio y
2 neutrones.Los fragmentos de Xe-140 y Sr-94 son ambos muy inestables,llegando
finalmente a productos estables por medio de la emision de particulas beta.
La idea basica de la liberacion de energia nuclear es simple,se colocan
los nucleos atomicos proximos unos de otros,de manera que una reaccion en
cadena se desarrolle entre ellos,produciendo nuevos nucleos,cuyas masas son
menores que los nucleos originales .Los nuevos nucleos se mueven con una enrgia
que es igual a la masa que desaparecio durante el cambio.
Mientras que el principio es simple,la aplicacion a la practica demanda
un gran esfuerzo tecnico y cientifico.El siguiente dibujo refleja en forma muy
esquematica,una reaccion en cadena:
En el mismo FF son los fragmentos y N son los neutrones que se originan
durante cada fision del U235.
Aunque la idea de la liberacion de energia del uranio es simple,la puesta
en practica es muy compleja y tiene muchas dificultades,esto llevo a los
cientificos y tecnicos a trabajar durante 20 anos para utilizarla, los sistemas
utilizados son muy diferentes de los hornos donde se quema carbon o gas.
Como sucede con otros elementos el uranio tiene sus propiedades,algunas
de las cuales hace que su tratamiento sea dificultoso.El uranio natural
consiste en una mezcla de dos isotopos,es decir,dos tipos de atomos con las
mismas propiedades quimicas,pero diferentes masas,estos son el uranio 238 y el
uranio 235,este ultimo presente en una proposion de 1 parte en 140 y como vimos
es el responsable de la fision(la creacion de nuevos elemetos tal como el
plutonio y de un isotopo,el uranio 233,permite utilizarlos como al uranio
235).Cuando se extrae uranio,el U 238 esta presente en gran proporsion y este
reacciona con los neutrones absorbiendolos fuertemente,por lo tanto,los
neutrones libres en un cuerpo de uranio tienen pocas probabilidades de producir
fision por dos razones: en dicho cuerpo el U 235 esta muy diluido y el U 238
presente en gran proporsion,los absorbe,por este motivo una reaccion en cadena
no se desarrollara en forma espontanea en un cuerpo de uranio natural
puro.Evidentemente una forma de realizar una reaccion en cadena que se mantenga
es sacando el U 238 del U 235,la separacion es dificultosa pero posible.
El uranio se combina con el fluor,formando un gas que es muy corrosivo y
tiene muchas dificultades en tratar,en dicho gas hay moleculas que poseen U 235
y otras U 238 este ultimo al ser mas pesado tiende a quedarse atras,cuando se
difunde al gas a traves de una membrana porosa.Si se repite este
proceso,reciclandolo,de manera que pase por muchas membranas,las moleculas que
poseen U 238 son gradualmente extraidas y U 235 se va purificando.Como la
diferencia de masa del U 235 y del U 238 es muy pequena,el gas debe ser
reciclado millones de veces,esto requiere una planta purificadora enorme,con
canos de grandes distancias y miles de bombas;realizar una membrana porosa muy fina
y que resista el ataque del gas hexafluoruro es tecnicamente muy dificultoso.
Al trabajar con uranio se corre riesgos de salud,por ser este radiactivo(lo
mismo ocurre con el gas, que puede causar danos en el hombre).Una planta de
difusion es enorme y requiere la solucion de problemas de metalurgia y de
materiales en general,esta debe ser operada en forma automatica por la cantidad
de repeticiones y problemas de seguridad(esta planta en si es tan peligrosa
como un reactor nuclear,tenga en cuenta el lector que sucederia con el medio
ambiente si se produjera una fuga seria,por lo tanto se deben tomar extrictas
medidas de seguridad),dimensiones tipicas de tal planta son 122 metros de ancho
por 1.6 kilometros(!) de largo.Los plasticos utilizados en la planta son del
tipo fluoroteno,el cual es resistente a la corrosion del hexafluoruoro de
uranio y se utiliza en bombas y canos,las barreras porosas deben ser finas y
fuertes y los poros tener una dimension de 10 milesimas de pulgada,las miles de
bombas requieren gran cantidad de energia electrica para su accionamiento y
sistemas de muestreo automatico del material a tratar y su posterior analisis
por medio de espectrografos de masa.El porcentaje de U 235 en uranio debe ser
elevado hasta que el metal consista de casi solo U 235,en un cuerpo esferico de
tal material se desarrolla una reaccion en cadena que asegure una cantidad
suficiente de neutrones que realicen fisiones antes de escapar fuera del
cuerpo,si las dimensiones del cuerpo son menores de la llamada DIMENSION
CRITICA la reaccion en cadena no se mantiene; los neutrones liberados salen a
una velocidad de 15000 kilometros por segundo y recorren algunos centimetros en
uranio 235 puro antes de ininiciar una nueva fision por lo tanto la reaccion en
cadena se desarrolla a enorme velocidad.
Este es el principio del reactor rapido,la dimension critica necesaria
para desarrollar una reccion en cadena es realmente pequena,el control de una
reaccion, en cual los neutrones viajan a tal velocidad parece algo
imposible,pero esto se realiza facilmente,tomando ventaja de la propiedad de
que en la fision del uranio, los neutrones no se liberan inmediatamente,sino
que tardan algunos segundos y esto da suficiente tiempo para prevenir la
creacion de un exceso de neutrones,moviendo partes dentro del reactor,esta
diposicion se realiza en forma automatica,de manera que una reaccion en cadena
pueda ser mantenida a un limite de intensidad exacto por largo tiempo.Los
neutrones lentos son mas efectivos que los rapidos en producir una fision y si
a estos se les disminuye aun mas esta velocidad producen mas rapidamente
fisiones que la resutante de neutrones absorvidos por el U 238,el efecto de los
neutrones sobre el U 235 y el U 238 depende de sus velocidades,a determinada
velocidad algunos reaccion mas rapidamente que otros y si el nucleo resuena
cuando recibe un neutron a dicha velocidad se pone a este en una condicion de
facil reaccion.
Fermi demostro en 1935 que a los neutrones se les puede disminuir la
velocidad,haciendolos chocar contra elementos livianos tal como el hidrogeno,el
berilo o el carbon,de las leyes de la mecanica surge que las particulas
elasticas pierden mucho menos su momento cuando chocan contra particulas mas
pesadas que cuandon lo hacen contra mas livianas,un material usado para
disminuir la velocidad se de nomina MODERADOR.Fermi utilizo este descubrimiento
del moderador para producir LA
PRIMERA REACCION en cadena nuclear en 1942.
(1)
Dibujo de la pagina Nuclear Energy
(2)
Si al lector le ha gustado
esta pagina,puede consultar mas sobre el tema en la siguiente pagina : EL DESARROLLO DE LA PRIMERA
REACCION EN CADENA ,es una descripcion historica del
experimento realizado por Fermi,para demostrar la utilizacion de la energia
nuclear.,
Eduardo Ghershman ,[email protected]