Fisión nuclear

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Fisión nuclear d'un átomu d'uraniu-235.

En física nuclear, la fisión ye una reacción nuclear, lo que significa que tien llugar nel núcleu atómicu. La fisión asocede cuando un núcleu pesáu estremar en dos o más núcleos pequeños, amás de dalgunos subproducto como neutrones llibres, fotones (xeneralmente rayo gamma) y otros fragmentos del núcleu como partícules alfa (núcleos de heliu) y beta (electrones y positrones d'alta enerxía).

Mecanismu[editar | editar la fonte]

La fisión de núcleos pesaos ye un procesu exotérmico, lo que supon que se lliberar cantidaes sustanciales de enerxía. El procesu xenera muncha más enerxía que la lliberada nes reacciones químiques convencionales, nes que tán implicaes les corteces electróniques; la enerxía emítese, tantu en forma de radiación gamma como de enerxía cinética de los fragmentos de la fisión, que van calecer la materia que s'atope alredor del espaciu onde se produza la fisión.

La fisión puede inducise por dellos métodos, incluyendo'l bombardéu del núcleu d'un átomu fisionable con una partícula de la enerxía correcta; la partícula ye xeneralmente un neutrón llibre. Esti neutrón llibre ye absorbíu pol núcleu, faciéndolo inestable (a manera d'exemplu, podría pensase na inestabilidá d'una pirámide de naranxes nel supermercáu, al llanzase una naranxa contra ella a la velocidá correcta). El núcleu inestable entós va partise en dos o más cachos: los productos de la fisión qu'inclúin dos núcleos más pequeños, hasta siete neutrones llibres (con una media de dos y mediu por reacción), y dellos fotones.

Los núcleos atómicos llanzaos como productos de la fisión pueden ser dellos elementos químicos. Los elementos que se producen son resultáu del azar, pero estadísticamente la resultancia más probable ye atopar núcleos cola metá de protones y neutrones del átomu fisionado orixinal.

Los productos de la fisión son xeneralmente altamente radiactivos, nun son isótopos estables; estos isótopos entós aparren, por aciu cadenes de desintegración.

Fisión fría y frayatu de pares de nucleones[editar | editar la fonte]

La mayor parte de les investigaciones sobre fisión nuclear basar na distribución de masa y enerxía cinética de los fragmentos de fisión. Sicasí, esta distribución ye alteriada pola emisión de neutrones per parte de los fragmentos enantes de llegar a'l detectores.

Anque con bien baxa probabilidá, nos esperimentos detectáronse eventos de fisión fría, ye dicir fragmentos con tan baxa enerxía d'escitación que nun emiten neutrones. Sicasí, entá nesos casos, reparar el frayatu de pares de nucleones, la que se manifiesta como igual probabilidá de llograr fragmentos con númberu par o impar de nucleones. Les resultancies d'estos esperimentos dexen entender meyor la dinámica de la fisión nuclear hasta'l puntu de dixebra, esto ye, primero que s'esmoreza la fuerza nuclear ente los fragmentos.

Inducción de la fisión[editar | editar la fonte]

La fisión nuclear de los átomos afayóse en 1938 polos investigadores Otto Hahn y Fritz Strassmann a partir del trabayu desenvueltu por el mesmu Hahn xuntu a Lise Meitner mientres años anteriores. Por esti descubrimientu recibió en 1944 el Premio Nobel de química. L'estudiu de la fisión nuclear considérase parte de los campos de la química nuclear y la física.

  • Anque la fisión ye prácticamente la desintegración de materia radiactivo, empezada de cutiu de la manera más fácil posible (inducíu), que ye l'absorción d'un neutrón llibre, puede tamién ser inducida llanzando otres coses nun núcleu fisionable. Estes otres coses pueden incluyir protones, otros núcleos, o entá los fotones de gran enerxía en cantidaes bien altes (porciones de rayo gamma).
  • Bien escasamente, un núcleu fisionable va esperimentar la fisión nuclear bonal ensin un neutrón entrante.
  • Cuanto más pesáu ye un elementu más fácil ye inducir el so fisión. La fisión en cualesquier elementu más pesáu qu'el fierro produz enerxía, y la fisión en cualesquier elementu más llixeru que'l fierro rique enerxía. Lo contrario tamién ye verdá nes reacciones de fusión nuclear (la fusión de los elementos más llixeros que'l fierro produz enerxía y la fusión de los elementos más pesaos que'l fierro rique enerxía).
  • Los elementos más frecuentemente usaos pa producir la fisión nuclear son el uraniu y el plutoniu. L'uraniu ye l'elementu natural más pesáu; el plutoniu esperimenta desintegraciones bonales y tien un periodu de vida llindáu. Con éses anque otros elementos pueden ser utilizaos, estos tienen la meyor combinación de bayura y facilidá de fisión.

Reacción en cadena[editar | editar la fonte]

Artículu principal: Reacción en cadena

Una reacción en cadena asocede como sigue: un acontecimientu de fisión empieza llanzando 2 ó 3 neutrones en promediu como subproductos. Estos neutrones escapar en direcciones al azar y cuten otros núcleos, afalando a estos núcleos a esperimentar fisión. Cuidao que cada acontecimientu de fisión llanza 2 o más neutrones, y estos neutrones inducen otres fisiones, el procesu acelérase rápido y causa la reacción en cadena. El númberu de neutrones qu'escapen d'una cantidá d'uraniu depende de la so área superficial. Solamente los materiales fisibles son capaces de sostener una reacción en cadena ensin una fonte de neutrones esterna. Por que la reacción en cadena de fisión llevar a cabu ye necesariu afaer la velocidá de los neutrones llibres, yá que si impacten con gran velocidá sobre'l núcleu del elementu fisible, pue que a cencielles travesar o lo impacte, y que esti nun lo absuerba.

Masa crítico[editar | editar la fonte]

Artículu principal: Masa crítico

La masa crítico ye la mínima cantidá de material riquida por que'l material esperimente una reacción nuclear en cadena. La masa crítico d'un elementu fisionable depende del so densidá y de la so forma física (barra llarga, cubu, esfera, etc.). Cuidao que los neutrones de la fisión emitir en direcciones al azar, pa maximizar les ocasiones d'una reacción en cadena, los neutrones tendrán de viaxar tan llueñe como seya posible y de esa forma maximizar les posibilidaes de que cada neutrón topete con otru núcleu. Asina, una esfera ye la meyor forma y la peor ye probablemente una fueya esplanada, cuidao que la mayoría de los neutrones volaríen de la superficie de la fueya y nun topetaríen con otros núcleos.

Tamién ye importante la densidá del material. Si'l material ye gaseosu, ye pocu probable que los neutrones topeten con otru núcleu porque hai demasiáu espaciu vacíu ente los átomos y un neutrón volaría probablemente ente ellos ensin cutir nada. Si'l material poner so alta presión, los átomos van tar muncho más cercanos y la probabilidá d'una reacción en cadena ye muncho más alta. L'alta compresión puede ser algamada poniendo'l material nel centru d'una implosión, o llanzando un cachu d'ella contra otru cachu d'ella bien fuertemente (con una carga esplosiva, por casu). Una masa crítico del material qu'empezó una reacción en cadena dizse que se convierte en supercrítica.

Moderadores[editar | editar la fonte]

Artículu principal: Moderador nuclear

Namá con xuntar enforma uraniu nun solu llugar nun ye abondu como pa empezar una reacción en cadena. Los neutrones son emitíos por un núcleu en fisión a una velocidá bien elevada. Esto significa que los neutrones van escapar del núcleu primero que tengan oportunidá de cutir cualesquier otru núcleu (por cuenta de un efectu relativista).

Un neutrón de movimientu lentu llámase neutrón térmicu y solamente esta velocidá del neutrón puede inducir una reacción de fisión. Con éses tenemos cuatro velocidaes de neutrones:

  • Un neutrón (non-térmicu) rápido va escapase del material ensin interacción;
  • Un neutrón de velocidá mediana va ser prindáu pol núcleu y va tresformar el material nun isótopu (pero nun induciría la fisión).
  • Un neutrón de movimientu lentu (térmicu) va inducir a un núcleu a qu'esperimente la fisión.
  • Un neutrón móvil realmente lentu va ser prindáu o va escapar, pero nun va causar fisión.

Dellos años enantes del descubrimientu de la fisión, la manera avezada de retrasar los neutrones yera faelos pasar al traviés d'un material de pesu atómicu baxu, tal como un material hidrogenoso. El procesu de retrasu o de moderación ye a cencielles una secuencia de choques elásticos ente les partícules d'alta velocidá y les partícules prácticamente en reposu. Cuanto más asemeyaes seyan les mases del neutrón y de la partícula cutida, mayor ye la perda d'enerxía cinética pol neutrón. Polo tanto los elementos llixeros son los más eficaces como moderadores de neutrones.

A unos cuantos físicos nos años 30 asocedióse-yos la posibilidá d'entemecer l'uraniu con un moderador: si fueren entemecíos correchamente, los neutrones d'alta velocidá de la fisión podríen ser retrasaos al rebotar nun moderador, cola velocidá correcta, pa inducir la fisión n'otros átomos d'uraniu. Les característiques d'un bon moderador son: pesu atómicu baxu y baxa o nulu enclín a absorber los neutrones. El moderadores posibles son entós el hidróxenu, heliu, litiu, beriliu, boro y carbonu. El litiu y el boro absuerben los neutrones fácilmente, asina que s'esclúin. L'heliu ye malo d'utilizar porque ye un gas y nun forma nengún compuestu. La opción de moderadores taría entós ente l'hidróxenu, deuteriu, el beriliu y el carbonu. Fueron Enrico Fermi y Leó Szilárd quien propunxeron primero l'usu de grafitu (una forma de carbonu) como moderador pa una reacción en cadena. El deuteriu ye'l meyor tecnológicamente (introducíu nel agua pesao), sicasí'l grafitu ye muncho más económicu.

Efectos de los isótopos[editar | editar la fonte]

L'uraniu natural componer de tres isótopos: 234O (0,006%), 235O (0,7%), y 238O (99,3%). La velocidá riquida por que se produza un acontecimientu de fisión y non un acontecimientu de captura ye distinta pa cada isótopu.

L'uraniu-238 tiende a prindar neutrones de velocidá entemedia, creando 239O, qu'aparra ensin fisión a plutoniu-239, que sí ye fisible. Por cuenta de la so capacidá de producir material fisible, a esti tipu de materiales suélse-yos llamar fértiles.

Los neutrones d'alta velocidá (52.000 km/s), como los producíos nuna reacción de fusión tritiu-deuteriu, pueden fisionar l'uraniu-238. Sicasí los producíos pola fisión del uraniu-235, d'hasta 28.000 km/s, tienden a rebotar inelásticamente con él, lo cual los desacelera. Nun reactor nuclear, el 238O tiende, pos, tantu a desacelerar los neutrones d'alta velocidá provenientes de la fisión del uraniu-235 como a prindalos (cola consiguiente transmutación a plutoniu-239) cuando la so velocidá modérase.

L'uraniu-235 fisiona con una gama muncho más amplia de velocidaes de neutrones qu'el 238O. Cuidao que l'uraniu-238 afecta a munchos neutrones ensin inducir la fisión, tenelo nel amiestu ye contraproducente pa promover la fisión. Ello ye que la probabilidá de la fisión del 235O con neutrones de velocidá alta pue ser lo suficientemente alzada como pa faer que l'usu d'un moderador seya innecesariu una vegada que se suprimiera'l 238O.

Sicasí, el 235O ta presente nel uraniu natural en cantidaes bien amenorgaes (una parte por cada 140). La diferencia relativamente pequeña en masa ente los dos isótopos fai, amás, que la so separación seya difícil. La posibilidá de dixebrar 235O foi afayada con bastante rapidez nel proyectu Manhattan, lo que tuvo gran importancia pal so ésitu.

Enllaces esternos[editar | editar la fonte]

Plantía:Wikillibros



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