Los fundamentos de la fisión nuclear

La fisión nuclear se produce cuando un isótopo más grande se rompe en dos o más elementos. Los científicos generalmente realizar esta tarea (para algunas reacciones nucleares controladas) mediante el bombardeo de un gran isótopo con una segunda, más pequeña - comúnmente un neutrón. La colisión se traduce en la fisión nuclear.

La fisión nuclear del uranio-235 se muestra en la siguiente ecuación:

Las reacciones de este tipo también liberan una gran cantidad de energía. ¿De dónde viene la energía? Si hace muy medición precisa de las masas de todos los átomos y las partículas subatómicas que comenzar, y todos los átomos y las partículas subatómicas que terminan con, y luego comparar los dos, usted encontrará que hay un poco de " que falta " masa.

La materia desaparece durante la reacción nuclear. Esta pérdida de la materia se denomina defecto de masa. La materia perdida se convierte en energía. En realidad se puede calcular la cantidad de energía que se produce durante una reacción nuclear con una ecuación bastante simple desarrollada por Einstein:

En esta ecuación, E es la cantidad de energía producida, m es el " que falta " masa o el defecto de masa, y c es la velocidad de la luz, que es un número bastante grande. La velocidad de la luz se eleva al cuadrado, lo que hace que una parte de la ecuación de una muy gran número que, incluso cuando se multiplica por una pequeña cantidad de masa, produce una gran cantidad de energía.

Las reacciones en cadena y la masa crítica

En la ecuación de la fisión del U-235, se dio cuenta de que se utilizó un neutrón, pero tres fueron producidos. Estos tres neutrones, si se encuentran con otros átomos U-235, pueden iniciar otras fisiones, produciendo aún más neutrones. En términos de la química nuclear, es una cascada continua de fisiones nucleares llama reacción en cadena. La reacción en cadena de la U-235 se muestra en la siguiente figura.

Esta reacción en cadena depende de la liberación de más neutrones que se utilizaron durante la reacción nuclear. Si tuviera que escribir la ecuación de la fisión nuclear del U-238, el más abundante isótopo del uranio, que usaría un neutrón y sólo conseguir uno de vuelta. No se puede tener una reacción en cadena con U-238.

Pero isótopos que producen un exceso de neutrones en su fisión apoyan una reacción en cadena. Este tipo de isótopo se dice que es fisionable, y sólo hay dos principales isótopos fisionables utilizados durante las reacciones nucleares - uranio 235 y plutonio-239.

La cantidad mínima de material fisionable necesario para asegurarse de que una reacción en cadena se produce se llama masa crítica. Cualquier cosa menos de esta cantidad se llama subcrítico.

Las bombas atómicas

Debido a la enorme cantidad de energía liberada en una reacción de fisión en cadena, las implicaciones militares de las reacciones nucleares se realizaron inmediatamente. La primera bomba atómica fue lanzada sobre Hiroshima, Japón, el 6 de agosto de 1945.

En una bomba atómica, dos piezas de un isótopo fisionable se mantienen separados. Cada pieza, por sí mismo, es subcrítico. Cuando sea el momento para que la bomba explote, explosivos convencionales obligan las dos piezas juntas para hacer una masa crítica. La reacción en cadena es controlada, liberando una enorme cantidad de energía casi instantáneamente.

Plantas de energía nuclear

El secreto para controlar una reacción en cadena es controlar los neutrones. Si los neutrones pueden ser controlados, entonces la energía puede ser liberada de manera controlada. Eso es lo que los científicos han hecho con las centrales nucleares.

En muchos aspectos, una planta de energía nuclear es similar a una planta de energía de combustible fósil convencional. En este tipo de planta, un combustible fósil (carbón, petróleo, gas natural) se quema, y ​​el calor se utiliza para hervir el agua, que, a su vez, se utiliza para hacer vapor. El vapor se utiliza entonces para girar una turbina que está conectada a un generador que produce electricidad.

La gran diferencia entre una central eléctrica convencional y una planta de energía nuclear es que la planta de energía nuclear produce calor a través de reacciones en cadena de fisión nuclear.

Reactores reproductores: Haciendo cosas más nucleares

Además el isótopo U-235 del uranio, el otro isótopo fisionable de uso común, el plutonio-239 (Pu-239), es muy raro en la naturaleza. Pero hay una manera de hacer Pu-239 del U-238 en un reactor de fisión especial llamado reactor generador.

El uranio-238 es bombardeado por primera vez con un neutrón para producir T-239, que se descompone a Pu-239. El proceso se muestra en la siguiente figura.

Reactores reproductores pueden extender el suministro de combustibles fisionables durante muchos, muchos años, y que actualmente están siendo utilizados en Francia. Pero los Estados Unidos se está moviendo lentamente con la construcción de los reactores reproductores debido a varios problemas asociados con ellos:

• En primer lugar, son extremadamente caros de construir.

• En segundo lugar, se producen grandes cantidades de desechos nucleares.

• Y, finalmente, el plutonio que se produce es mucho más peligrosa de manejar que el uranio y puede ser fácilmente utilizado en una bomba atómica.