Fusión y Fisión Nuclear: Energía, Radioactividad y Defecto de Masa

Fusión Nuclear

La fusión nuclear es un proceso en el que núcleos pequeños se unen para formar otros núcleos más grandes, liberando una gran cantidad de energía. Un ejemplo de una reacción de fusión nuclear consiste en la unión de dos núcleos de isótopos del hidrógeno para formar un núcleo de helio.

La energía liberada en la fusión procede del defecto de masa entre los núcleos formados y los núcleos de partida. Ese defecto de masa de los productos explicaría la cantidad de energía liberada.

E = Δm·c²

Δm = masa núcleos reactivos – masa núcleos productos

El proceso de fusión nuclear puede resultar una fuente inagotable de energía. No obstante, presenta el problema técnico de las altas temperaturas que es preciso alcanzar en el proceso para vencer las repulsiones electrostáticas que se originan en los núcleos. Estas temperaturas pueden alcanzar del orden de 16 millones de grados. A esto debe añadirse que la reacción debe confinarse en un recinto para mantener la elevada temperatura y controlar el proceso en todo momento.

Fisión Nuclear

La fisión nuclear consiste en la ruptura de un núcleo masivo en dos fragmentos de masa comparable y lleva consigo la liberación de una gran cantidad de energía. Normalmente se trata de un proceso provocado artificialmente por medio de una desestabilización nuclear.

Los proyectiles utilizados en general son neutrones lentos. Se trata de partículas ideales ya que, al no tener carga eléctrica, no están sujetos a fuerzas de repulsión electrostática y tienen un mayor poder de penetración y no necesitan energías tan altas para poder impactar con los núcleos.

Cuando sobre un núcleo de uranio incide un neutrón lento, este es absorbido por aquel. Esto conduce a una desestabilización de las fuerzas internas del núcleo de tal manera que se rompe en dos trozos y se produce la emisión de varios neutrones con energía suficiente para poder incidir sobre otros núcleos y continuar el proceso.

Para que los neutrones emitidos puedan continuar el proceso de fisión deben perder parte de su energía chocando con otros núcleos hasta que su velocidad (energía) es la adecuada para que el proceso continúe.

La energía liberada en esta reacción proviene del hecho de que la masa del núcleo de uranio es mayor que la masa de los núcleos formados. Este defecto de masa se transforma en energía. Aproximadamente por cada núcleo de uranio se liberan 200 MeV.

Como el número de neutrones que se produce en cada fisión es de 2 a 3 por término medio que pueden producir nuevas fisiones, se produce, en las condiciones adecuadas, una reacción en cadena y el proceso puede llegar a descontrolarse liberando la energía en forma explosiva (bomba atómica).

Si queremos controlar el proceso, debemos disponer en el recinto donde se produce la reacción de unos materiales que absorban parte de los neutrones emitidos y para moderar su velocidad. Como moderador puede utilizarse grafito y como absorbente, barras de cadmio. De este modo se puede controlar la reacción y poder aprovechar la energía liberada (centrales nucleares).

Radioactividad

La radioactividad fue descubierta por Becquerel en 1896, de forma casual, en minerales de uranio. Esta consistía en la emisión espontánea de ciertas radiaciones, desconocidas en ese momento, que eran capaces de atravesar cuerpos opacos y ser causantes de ciertas alteraciones en algunos cuerpos, como por ejemplo velar placas fotográficas aisladas de la luz. Poco después, el matrimonio Curie descubrió que esta propiedad también se daba en el radio y el polonio.

Las experiencias realizadas con estos elementos demostraron que estas radiaciones no se veían alteradas ni por cambios químicos ni por cambios de presión o temperatura. Estos últimos hechos implicaban que las radiaciones debían proceder de modificaciones en el interior de los núcleos atómicos.

Se detectaron tres tipos distintos de radiación que al ser desconocidas se bautizaron como radiación α, β y γ.

• La radiación alfa está formada por núcleos del isótopo ⁴He y suelen proceder de la descomposición de núcleos inestables de gran tamaño en otros más ligeros, de modo que se aumenta la proporción de neutrones respecto a la de protones dentro del isótopo y así acercarse a la estabilidad nuclear.
• La radiación beta está causada por la emisión de electrones o positrones (β^- o β⁺), por parte de los núcleos, cuando un neutrón se convierte en protón o, al contrario. Las radiaciones beta tienen lugar en átomos inestables ligeros para adecuar la proporción entre neutrones y protones. Esta conversión va acompañada también de la emisión de otra partícula de masa diminuta llamada neutrino o de su antipartícula:

n → p⁺ + e^- + ν_e

p⁺ → n + e⁺ + ν_e

• Los rayos gamma, ya vistos en otros temas, son radiaciones electromagnéticas de muy alta frecuencia, por ende, de alta energía y nocivas para los seres vivos. Esta emisión de rayos gamma suele acompañar a las emisiones alfa y beta.

Defecto de Masa

Los distintos modelos atómicos vistos a lo largo de tu etapa estudiantil te han enseñado que en los átomos tenemos un núcleo formado por cierto número de protones y neutrones. El número de protones se denomina número atómico (Z) y el número de neutrones con la resta A – Z, donde A, llamado número másico, indica el número de nucleones. Los protones y neutrones se encuentran más o menos homogéneamente repartidos dentro del núcleo de tal modo que forma una estructura prácticamente esférica.

La distancia entre los nucleones en el núcleo es del orden de un fermi (10^-15 m), de modo que las fuerzas de repulsión colombianas son enormes. Debe haber, por tanto, otra fuerza que mantenga unidos esos nucleones. Esta fuerza es la llamada interacción nuclear fuerte, fuerza muy intensa y de corto alcance.

Si pesásemos un núcleo atómico y después hiciésemos lo mismo con los nucleones que lo componen por separado, veríamos que la suma de las masas de los nucleones es distinta a la del núcleo en su conjunto. A esa diferencia la llamamos defecto de masa, y con ella calculamos, a través de la fórmula de Einstein, la energía de ligadura o enlace, es decir, la energía que debemos aportar al núcleo para separar los nucleones. Es más interesante el cálculo de la energía de enlace por nucleón, valor que nos da idea de la estabilidad de un núcleo.

Δm = Z·m_p + (A-Z)·m_n - M_núcleo

Fórmula de Einstein: E = Δm·c²

Δm es el defecto de masa, m_n y m_p las masas de neutrón y protón, M es la masa del núcleo en su conjunto, E es la energía de enlace y E/A la energía de enlace por nucleón.