La fisión y fusión nuclear: los 2 tipos de reacciones nucleares

La fisión y fusión nuclear: los 2 tipos de reacciones nucleares

4 marzo, 2017 0 By Ensambledeideas

Las reacciones nucleares

Hoy hablaremos de la Fisión y Fusión Nuclear. Bajo ciertas condiciones muy especiales, que se verán en pocos minutos, las partículas pueden comportarse de una manera poco usual, combinándose o separándose. En estos fenómenos, el intercambio de energía con el exterior puede ser magnífico.

Un ejemplo, para comenzar, será recordar los populares casos de las bombas de Hiroshima en Japón. ¿Qué piensas que sucedió? ¿Por qué fue tan catastrófico? Hace 69 años, en la ciudad de Hiroshima (al Oeste de Japón), durante la Segunda Guerra Mundial, Estados Unidos arrojó una bomba que acabó inmediatamente con la vida de 80.000 personas, número que luego aumentó a 140000 con el correr de los días. Días después lanzó una segunda bomba que determinó el fin de la Segunda Guerra Mundial.

¿De dónde provino tanta energía? La respuesta a esta pregunta radica en las reacciones nucleares, en especial de la energía liberada cuando las mismas ocurren.

¿Qué son las reacciones nucleares?

Las reacciones nucleares son reacciones en las que las partículas subatómicas o los núcleos atómicos atraviesan un proceso de transformación o de combinación).

La Fisión Nuclear

A esta altura del informe, se tienen los conocimientos necesarios para comprender la fisión nuclear. En ella, un núcleo pesado (A > 200) se divide para formar núcleos más pequeños de masa intermedia y uno o más neutrones. Ya que los núcleos pesados son menos estables que sus productos, este proceso libera una gran cantidad de energía. Con la fisión nuclear, se obtienen entonces dos núcleos más livianos, energía y tres neutrones que continúan el proceso, provocando una reacción en cadena. Este tipo de reacciones es el que se utiliza en las centrales nucleares de energía.

Reacciones nucleares: fisión nuclear.
Fisión Nuclear. La partícula n es un neutrón que incide sobre una partícula grande AB. Al hacerlo, AB se descompone en A y B, partículas más sencillas, junto con varios neutrones.

Un ejemplo de fisión nuclear está dado por la siguiente reacción (siendo E la energía liberada):

Ecuación de Reacción Nuclear.

La Fusión Nuclear

Por otra parte, bajo ciertas condiciones (por ejemplo, temperaturas altísimas), es posible producir la fusión nuclear. En ella, dos núcleos se unen y forman uno más pesado. Por ejemplo, dos núcleos de hidrógeno pueden fusionarse y formar uno de helio.

Este proceso está siendo considerado y ensayado para la producción de energía en las centrales nucleares: la energía liberada en ambos tipos de reacciones es superlativa (se observa en el hecho de que una tonelada de combustible nuclear produce la misma cantidad de energía que 146.296 toneladas de carbón). Varios científicos se dedicaron a estudiar este asunto para explicar la notoria diferencia. Albert Einstein1 comprobó que en las reacciones nucleares no se conserva la masa.

Tanto en la fisión nuclear como en la fusión nuclear, la masa de los productos es menor que la de los núcleos que reaccionan. Esta diferencia se libera como energía en las radiaciones de acuerdo a la famosa fórmula E = mc² donde c es la velocidad de la luz en el vacío (300.000 km/s). En las reacciones químicas comunes también hay una pequeña cantidad de masa que se convierte en energía.Pero es tan ínfima que resulta despreciable y puede considerarse válida la Ley de la Conservación de la masa de Lavoisier2.

Reacciones nucleares: fusión nuclear.
Dos partículas A y B se fusionan formando una partícula más compleja AB.

Un ejemplo de fusión nuclear es el siguiente:

Ecuación de Reacción Nuclear.

Aceleradores de Partículas

En un acelerador de partículas, se usan campos eléctricos y magnéticos para aumentar la energía cinética de las especies cargadas al punto en que ocurrirá una reacción. Alternando la polaridad (esto es, + y –) en placas especialmente construidas, se aceleran las partículas a lo largo de una trayectoria en espiral. Cuando alcanzan la energía necesaria para llevar a cabo la reacción nuclear deseada, son conducidas fuera del acelerador hacia una colisión con la sustancia blanco.

En artículos anteriores, se mencionó que muchos isótopos sintéticos se preparan usando neutrones como proyectiles. Esto es particularmente conveniente porque los neutrones no llevan cargas y por lo tanto no son repelidos por los núcleos. La situación es diferente cuando los proyectiles son partículas cargadas positivamente; por ejemplo, cuando se utilizan protones o partículas α, como en:

Ecuación de Reacción Nuclear.

Para reaccionar con el núcleo de aluminio, las partículas alpha deben tener una considerable energía cinética para poder superar la repulsión electrostática entre ellas mimas y los átomos blancos del bombardeo.

Se han desarrollado varios modelos de aceleradores de partículas, uno de los cuales acelera las partículas a lo largo de una trayectoria lineal aproximada de 3 kilómetros. Ahora es posible acelerar partículas a velocidades por encima del 90% de la velocidad de la luz. (De acuerdo con la teoría de la relatividad de Einstein, es imposible para una partícula moverse a la velocidad de la luz. La única excepción es el fotón, que tiene una masa de cero en reposo.) Las partículas extremadamente energéticas producidas en los acelerados son empleadas por los físicos para romper los núcleos atómicos en fragmentos. El estudio de los patrones de estas desintegraciones proporciona información valiosa acerca de la estructura nuclear y de las fuerzas de unión.

El advenimiento de los aceleradores de partículas también hizo posible la síntesis de elementos con números atómicos mayores de 92, llamados elementos transuránicos. Desde que el neptunio (Z = 93) fue preparado por primera vez en 1940, se han sintetizado otros elementos transuránicos. Todos los isótopos de estos elementos son radiactivos.

Mesografía Sugerida.

En el portal del Ministerio de Educación de la Nación Argentina podrás leer una excelente infografía sobre reacciones nucleares en https://www.educ.ar/recursos/132158/fision-nuclear

Te recomendamos la lectura de los primeros tres artículos de la serie Radiactividad:

RADIACTIVIDAD
RAYO
S ALPHA, BETA Y GAMMA
Serie de decaimiento r
adiactivo
Tiempo de Vida Media
Radiactividad Artificial / Transmutación nuclear

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  1. Albert Einstein (1879-1955) fue un físico de origen alemán, nacionalizado posteriormente suizo y estadounidense. Ganó el Premio Nobel de Física en 1921.
  2. Antoine-Laurent de Lavoisier (1743-1794) fue un químico francés, uno de los protagonistas principales de la revolución científica.