Fisión y Fusión Nuclear: Fundamentos, Activación y Crecimiento de la Radiactividad

Fisión Nuclear: Principios y Aplicaciones

Esta reacción se produce por el bombardeo de ciertos nucleidos de alto número atómico con neutrones. El núcleo, después de absorber el neutrón, se divide en otros dos de menor número atómico, así como neutrones adicionales. La energía liberada (Q) corresponde a la diferencia de masa entre las partículas iniciales y las finales. En el ejemplo anterior, esta energía debe ser mayor a 200 MeV. Esta energía aparece como energía cinética de las partículas producto y como rayos gamma. Los neutrones generados en el proceso pueden también interactuar con otros nucleidos de uranio, produciéndose una reacción en cadena; sin embargo, se requiere técnicamente de una masa crítica de material fisionable. La energía generada es enorme, siendo la mayor fuente de energía en aplicaciones como los reactores nucleares. Este proceso ocurre de forma espontánea en los elementos transuránidos, átomos con número másico mayor a 250, que son demasiado grandes para ser estables. Los núcleos con números másicos comprendidos entre 220 y 250 no experimentan fisión espontánea, pero esta puede inducirse bombardeando con neutrones lentos, neutrones rápidos, protones o partículas alfa aceleradas.

Fusión Nuclear: El Proceso Inverso

Es el proceso inverso de la fisión. Nucleidos de menor masa se combinan. La masa total de las partículas producidas es menor que la de los reactantes, y se libera energía en el proceso. En el ejemplo, la menor masa es de 0,0189 uma, lo que resulta en Q = 17,6 MeV. Este proceso requiere energías de activación mucho mayores que las del proceso de fisión. En este caso, la energía de activación es la energía cinética necesaria para vencer las interacciones repulsivas entre los núcleos o partículas que colisionan; una vez formado el nuevo núcleo, se libera una cantidad de energía mucho mayor que la energía cinética que tenían los núcleos antes de la fusión.

Activación de Nuclidos: Inducción de Radiactividad

Cuando una cierta cantidad de material se coloca en una 'pila' (reactor nuclear), puede activarse al ser bombardeado con neutrones dentro de ella. Los elementos pueden hacerse radiactivos por varias reacciones nucleares, algunas de las cuales ya han sido descritas. El rendimiento de una reacción nuclear depende de parámetros tales como:

• El número de partículas bombardeadas.
• El número de núcleos blanco.
• La probabilidad de la ocurrencia de la reacción nuclear.

Esta probabilidad es llamada 'sección eficaz' (σ) para una reacción nuclear y se mide en 'barns', donde 1 barn = 10^-24 cm²/átomo. Depende de:

• La naturaleza del material blanco.
• Del tipo de partículas que bombardearán y de su energía.

Este punto de vista geométrico es una sobresimplificación. Un núcleo puede tener un área grande para cierto tipo de reacciones o un área pequeña para otro tipo. Por ejemplo, al aproximarse los neutrones al núcleo, pueden producir:

• Una reacción nuclear inmediata, tal como la fisión.
• Se puede producir un nuevo isótopo estable en un estado excitado, el cual entregará su energía en forma de un fotón gamma.
• O se puede producir un núcleo radiactivo.

Para nuestros propósitos, nos interesa la actividad de un nucleido producido por neutrones lentos o termales. El flujo de neutrones (Φ):

• Dependerá del tipo de pila.
• Dependerá de la posición dentro del reactor, ya que el flujo es más alto en el centro y más débil en la periferia.
• Su rango será de 10¹⁰ – 10¹⁴ neutrones/cm²/seg.

Crecimiento de la Actividad Radiactiva

• Los ejemplos anteriores no consideran el decaimiento del material radiactivo formado; sin embargo, para un tiempo corto, es correcto usar la fórmula anterior.
• Sin embargo, con tiempos mayores, los átomos producidos comienzan a decaer mientras nuevos átomos son activados.
• De este modo, el crecimiento de la actividad es menor de lo predicho por la ecuación anterior.
• Puede verse que la actividad aumenta menos rápidamente que la producción por irradiación y finalmente llega a un valor máximo o 'actividad de saturación', después de varias vidas medias.
• La actividad de saturación ocurre cuando la tasa de producción de átomos en la pila es igual a la tasa con la cual estos decaen.