21. Fisión nuclear. Descripción y ejemplos. Bombas y centrales nucleares. Perdida de masa. Ecuación de Einstein para la energía desprendida.
Temario de Selectividad de Fisica 2013
La fisión nuclear consiste en la división de un núcleo pesado en dos núcleos más ligeros; estos núcleos son más estables, ya que tienen mayores energías de enlace por nucleón y en el proceso se libera energía.
Los núcleos no se dividen fácilmente. Se consiguió por primera vez en 1938. Hahn y Strassmann observaron que cuando el [math]\displaystyle{ _{92}^{235}U }[/math] absorbe un neutrón se convierte en un núcleo inestable [math]\displaystyle{ _{92}^{236}U }[/math], que inmediatamente se divide en dos fragmentos de números atómicos comprendidos entre 30 y 63, y números másicos comprendidos entre 72 y 162, liberándose energía y nuevos neutrones. Por ejemplo:
[math]\displaystyle{ _{92}^{235}U + _0^1n \rightarrow _{92}^{236}U \rightarrow _{36}^{92}Kr + _{56}^{141}Ba + 3 _0^1n +energía. }[/math]
La energía liberada se debe a la diferencia de masas entre los productos iniciales y finales de la reacción. En este caso es de unos 200 MeV por núcleo, millones de veces mayor que la energía que se desprende en una reacción de combustión. Después se comprobó que otros núcleos, como los de torio, plutonio y protactinio, eran fisionables utilizando neutrones.
En el proceso de fisión del uranio-235 se Liberan varios neutrones que hacen posible la fisión de nuevos núcleos. Estos Liberan a su vez nuevos neutrones, y así sucesivamente, iniciando una reacción en cadena capaz de producir una enorme cantidad de energía.
Reactores nucleares de fisión
Un reactor nuclear es un dispositivo que controla el crecimiento de la reacción en cadena y produce grandes cantidades de energía; es un ejemplo de fisión nuclear controlada.
En esencia, una central nuclear utiliza el calor producido en la reacción de fisión para producir vapor de agua a presión, que al expandirse en la turbina del alternador produce energía eléctrica.
Las centrales nucleares disponen en su mayoría de reactores con una potencia aproximada de 1 000 MW:
- El núcleo del reactor está formado por una serie de varillas de combustible nuclear, compuestas por unos pequeños cilindros («pellets») de óxido de uranio ligeramente enriquecido en uranio-235. El núcleo del reactor suele medir unos 3,5 m de diámetro y 3,5 m de altura, y está encerrado en un recipiente de acero resistente a la presión.
- La vasija del reactor se aloja en el interior de un búnker de hormigón para evitar la salida de radiaciones.
- Por último, un edificio de hormigón armado cubre todo el dispositivo del reactor para impedir fugas radiactivas en caso de accidente.
El uranio que se usa en los reactores nucleares es uranio natural o uranio enriquecido, que contiene del 3% al 5% de uranio-235. Por eso en un reactor no pueden producirse explosiones similares a una bomba atómica. La reacción en cadena se regula mediante barras de control, fabricadas con materiales que absorben neutrones. Se utilizan boro y cadmio. Cuando se insertan por completo detienen la reacción en cadena y «paran» el reactor.
La reacción de fisión del uranio-235 se produce con neutrones «lentos». Sin embargo, los producidos en la fisión son neutrones «rápidos» (tienen más energía de La necesaria y no son atrapados por el núcleo). Por ello, es necesario utilizar un moderador que disminuya su velocidad. Se emplean para este fin agua, agua pesada ([math]\displaystyle{ D_20 }[/math]), berilio y grafito.
Equivalencia entre masa y energía.
En las reacciones de fisión nuclear, al dividir núcleos, se desprende energía., pero también desaparece una cantidad de masa. Dicha cantidad la establece la correlación o equivalencia entre masa y energía. de Einstein, cuya formula es [math]\displaystyle{ E = mc^2 }[/math], donde c equivale a la velocidad de la luz. Por tanto, dicha masa se acelera hasta la velocidad de la luz para convertirse en energía. Asimismo, esa energía. que se desprende no es posible recuperarla, dado lo que establece la Segunda Ley de la Termodinámica.
Por tanto, si hacemos fisionar el uranio-235 como en el primer ejemplo, mediante un neutrón, este liberará un átomo de Criptón, un átomo de bario y tres neutrones, mas energía. Dicha energía. se desprende de la perdida de masa de los átomos. Sin embargo, si fusionásemos el resultado de esta primera fisión, volveríamos a conseguir el átomo de uranio, cuya masa seria apreciablemente menor, y de nuevo energía.
