Fisión Nuclear

Muchos elementos más pesados con energías de enlace más pequeñas por nucleón pueden descomponerse en elementos más estables que tienen números de masa intermedios y mayores energías de enlace por nucleón, es decir, números de masa y energías de enlace por nucleón que están más cerca del “pico” del gráfico de energía de enlace cerca de 56. A veces también se producen neutrones. Esta descomposición de un núcleo grande en pedazos más pequeños se llama fisión. La ruptura es bastante aleatoria con la formación de un gran número de productos diferentes. La fisión generalmente no ocurre naturalmente pero es inducida por el bombardeo con neutrones.

Una enorme cantidad de energía es producida por la fisión de elementos pesados. Por ejemplo, cuando un mol de U-235 sufre fisión, los productos pesan aproximadamente 0,2 gramos menos que los reactivos; esta masa “perdida” se convierte en una cantidad muy grande de energía, aproximadamente 1,8 × 10¹⁰ kJ por mol de U-235. Las reacciones de fisión nuclear producen cantidades increíblemente grandes de energía en comparación con las reacciones químicas. La fisión de 1 kilogramo de uranio-235, por ejemplo, produce alrededor de 2,5 millones de veces más energía de la que se produce al quemar 1 kilogramo de carbón.

Cuando se somete a fisión, el U-235 produce dos núcleos “de tamaño medio” y dos o tres neutrones. Estos neutrones pueden entonces causar la fisión de otros átomos de uranio-235, que a su vez proporcionan más neutrones que pueden causar fisión de aún más núcleos, y así sucesivamente. Si esto ocurre, tenemos una reacción en cadena nuclear. Por otro lado, si demasiados neutrones escapan del material a granel sin interactuar con un núcleo, entonces no se producirá ninguna reacción en cadena.

El material que puede sufrir fisión como resultado de cualquier bombardeo de neutrones se llama fisionable; el material que puede sufrir fisión como resultado del bombardeo por neutrones térmicos de movimiento lento se llama adicionalmente fisionable.

La fisión nuclear se autosustenta cuando el número de neutrones producidos por la fisión es igual o excede el número de neutrones absorbidos por la división de núcleos más el número que escapa al entorno. La cantidad de un material fisionable que soportará una reacción en cadena autosustentada es una masa crítica. Una cantidad de material fisionable que no puede sostener una reacción en cadena es una masa subcrítica. Una cantidad de material en la que hay una velocidad creciente de fisión se conoce como masa supercrítica.

La masa crítica depende del tipo de material: Su pureza, la temperatura, la forma de la muestra y cómo se controlan las reacciones de neutrones. Los materiales suelen ser menos densos a temperaturas más altas, lo que permite que los neutrones se escapen más fácilmente. Los neutrones que comienzan en el centro de un objeto plano pueden alcanzar la superficie más fácilmente que los neutrones que comienzan en el centro de un objeto esférico. Si el material está encerrado en un contenedor hecho de un material que refleja los neutrones como el grafito, entonces pueden escapar muchos menos neutrones, lo que significa que se requiere mucho menos del material fisionable para alcanzar una masa crítica.

Este texto es adaptado de Openstax, Química 2e, Sección 21.4: Transmutación y Energía Nuclear.