Fisión y fusión nuclear

La fisión nuclear no se produce en cualquier átomo de uranio. El que presenta la inestabilidad adecuada para desencadenar una reacción de este tipo es el U-235, que constituye sólo el 0.7 % del material en una muestra de uranio metálico puro.

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Fisión y fusión nuclear. Transmutación de los elementos

Alguna vez te has preguntado ¿de dónde sale la energía del Sol?, ¿siempre habrá estado como lo vemos ahora? y ¿cómo se han formado los elementos químicos que conoces como el oxígeno, el hierro, el carbono entre otros?

El proceso que permite comprender la energía de las estrellas es la fusión nuclear. El proceso consiste en liberar una gran cantidad de energía al unirse (o fusionarse) los átomos (principalmente de hidrógeno) para formar otro elemento (en el caso de hidrógeno se forma helio) a través de una reacción. Al unirse los núcleos, se libera energía. La masa del núcleo resultante es menor a la suma de las masas de los átomos iniciales. La diferencia de masa se convierte con la fusión en energía. Pero ¿cómo se fusionan?

Para que se produzca la fusión, es necesario que los núcleos choquen con una gran velocidad para vencer la repulsión eléctrica , ¿Cómo se da esta gran velocidad para que choquen? Se requieren de grandes temperaturas para vencer la repulsión eléctrica. Para ello se requieren de grandes temperaturas semejantes a las que existen en el centro del Sol y de otras estrellas. Se trata de millones de grados centígrados. La temperatura del sol aumenta muchísimo el movimiento de los átomos y sus partículas y se da una reacción en cadena:

En el laboratorio todavía hay dificultades para producir y controlar energía por este método. La principal dificultad es encontrar los materiales que constituyan las paredes que contengan a los átomos que se fusionen, además de soportar esas altísimas temperaturas. Se ha trabajado con grandes campos magnéticos que pueden contener dichos átomos, pero aún es muy costoso

¿Cómo se forman los elementos químicos?

Fusión

La fusión es el proceso responsable de la formación de los elementos químicos pesados. El proceso lleva mucho tiempo. Las estrellas de primera generación convierten el hidrógeno en helio, como ya se mencionó, y luego tres núcleos de helio se transforman en carbono, e incluso pueden seguir ocurriendo fusiones, pero se requiere que ese material formado sea eyectado (expulsado) por la estrella. Esto se logra cuando la estrella pierde su equilibrio y la presión interna vence a la presión generada por la fuerza gravitacional, la explosión que se genera es lo que conoces como supernova.

Con ese material nuevo y pesado se comienza un proceso de generación de una nueva estrella, llamadas de segunda generación (y de las cuales el sol es un ejemplo): se siguen construyendo elementos más pesados como el oxígeno, nitrógeno, neón, hasta alcanzar el hierro que es el elemento más estable. El proceso se repite, al contraerse por efecto de gravedad de tal manera que una nueva explosión de la estrella como supernova emitirá los elementos pesados de los que se formarán los planetas y por consecuencia la vida en la forma como la conocemos.

Fisión

Otro proceso que se lleva a cabo en el núcleo atómico y libera gran cantidad de energía es la fisión nuclear (que implica el rompimiento del núcleo). Fíjate que en el núcleo las cargas positivas (protones) se repelen con una gran fuerza ya que la distancia que las separa es muy pequeña y como tú sabes, cuando las cargas eléctricas tienen el mismo signo, éstas se repelen y puede haber muchas de esas cargas en el núcleo. Por ejemplo, el uranio tiene 92 protones en su núcleo. Sin embargo, el átomo se mantiene estable, lo que significa que debe de haber una fuerza igual ó más grande que la fuerza eléctrica de repulsión que mantiene a los protones y neutrones unidos. Este hecho lo advirtieron los físicos de principios del siglo XX.

El proceso de fisión puede desencadenar diversas combinaciones. Por ejemplo, si un núcleo de U-235 que es muy inestable se le impacta con un neutrón entonces el núcleo se alarga lo suficiente para romperse y generar dos nuevos átomos más estables, el Kriptón y el Bario junto con la emisión de 3 neutrones y radiación gamma. La energía que libera la fisión de un átomo de uranio-235 es enorme, alrededor de 7 millones de veces la energía que libera la explosión de una molécula de TNT. ¿Te acuerdas de las caricaturas y de la dinamita?

Los neutrones liberados pueden, a su vez, provocar una nueva fisión de átomos de U-235, con lo que se tienen más neutrones. Si cada uno de estas partículas logra romper un átomo de U-235, entonces se tendrá una reacción en cadena . ¿Por qué no se producen reacciones en cadena en los depósitos naturales de minerales de uranio?

La fisión nuclear no se produce en cualquier átomo de uranio. El que presenta la inestabilidad adecuada para desencadenar una reacción de este tipo es el U-235, que constituye sólo el 0.7 % del material en una muestra de uranio metálico puro.

Si todo el uranio fuera de U-235 entonces sí se produciría una reacción en cadena. Por otro lado, el U-238 tiene la capacidad de absorber neutrones, por lo que si el U-235 se fisiona y desprende neutrones, éstos serán absorbidos por el U-238 que es mayoría y se evita la reacción en cadena.

Además, para que se produzca una explosión, se necesita una masa de U-235 aproximadamente del tamaño de una pelota de béisbol. Si la masa es menor a este tamaño no se producirá ninguna explosión. El neutrón recorre una cierta distancia promedio a través del material antes de encontrar otro átomo de uranio e iniciar otro proceso de fisión.

Masa crítica

A la masa necesaria para que se fisione un átomo de uranio y un neutrón liberado produzca una nueva fisión se le llama masa crítica. Si el neutrón liberado no produce ninguna nueva fisión, se le llama masa sub-crítica y si la masa es mayor que la crítica, de tal manera que produce una explosión, se le llama masa supercrítica. El descubrimiento de la fisión nuclear tuvo una aplicación importante, aunque nefasta: la construcción de la bomba nuclear. La dificultad no está en su construcción, sino en la separación del uranio suficiente de U-235 para constituir la suficiente masa crítica para generar la reacción en cadena.

El material que se destina a las armas nucleares se enriquece en 99% o más, mientras que el que se utiliza en los reactores nucleares para generar electricidad tienen de 3 a 5% de U-235, y por ello un reactor nuclear no puede explotar como una bomba.

¿Sabes qué es radiactividad?

Otro proceso que produce nuevos elementos a partir de otros es la radiactividad. La radiactividad fue descubierta accidentalmente por Henri Becquerel en 1896. La transmutación de los elementos es el resultado del proceso conocido como radiactividad.

Cuando el núcleo de un átomo es inestable, lo cual generalmente se debe a un exceso de neutrones en su núcleo, puede emitir una partícula alfa o beta , y cuando lo hace da lugar a un elemento distinto.

Cuando sucede esto se libera energía en las siguientes formas: Energía cinética de la partícula beta, energía gamma y energía cinética del átomo de nitrógeno.

El proceso de transmutación de los elementos se puede hacer artificialmente, como lo hizo Ernerst Rutherford en el año de 1919, cuando bombardeó con partículas muy energéticas a núcleos de nitrógeno y pudo detectar trazas de oxígeno e hidrógeno que no estaban presentes inicialmente. Por cierto, ¿sabías que en la Edad Media los alquimistas andaban en la búsqueda de convertir plomo en oro? Durante la Edad Media (1300–1500) los alquimistas se concentraron en la búsqueda de la piedra filosofal y el elixir de la juventud. Por ejemplo, muchos alquimistas durante este periodo interpretaban que la purificación del alma significaba la transmutación del plomo en oro (en la que creían que el mercurio desempeñaba un papel crucial). Estos hombres eran considerados magos y hechiceros por muchos y fueron con frecuencia perseguidos por sus prácticas.

Aparentemente, las estrellas están muy lejos y su vida es monótona. Sin embargo, después de comprender la fusión que se desarrolla dentro de ellas te quedará claro que somos parte de la más cercana a nosotros, el Sol.

Para que te acuerdes, piensa la siguiente metáfora: dos personas, ya sea familia o amistades, son más fuertes que solas con ello te podrás acordar de fusión. En cambio, piensa en un traste de cerámica que se rompe y ya no lo podremos pegar. Para ello se requerirá de pegamento que sería la energía equivalente a la que se liberó al romperse.

Autoevaluación

Ahora ¡Detente un momento para que reflexiones y lo que has aprendido perdure en tu mente! Completa el siguiente texto (arrastra las palabras a donde correspondan). Un concepto se puede repetir más de una vez.

Los procesos que se llevan a cabo en el con gran liberación de son la fisión y fusión. En especial la , que es el proceso que domina en las estrellas. El Sol es la estrella responsable de que exista vida en nuestro agradable, pero no siempre comprendido planeta Tierra. La vida como la conocemos es difícil que se genere en lugares muy cercanos al Sol o muy lejanos de él, y como sabes el mundo en que vives se mueve gracias a la . La implica el del núcleo provocando por un lado la formación de dos más estables, y por otro una liberación de que pueden ocasionar se repita el proceso y haya una .

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