8.8: Fusión y fisión nuclear

Conversión de la materia en energía en reacciones nucleares

Cuando los nucleones libres se unen para formar un nucleoide, liberan energía igual a la energía de unión nuclear. La energía se produce a expensas de la masa de los nucleones siguiendo la famosa ecuación de Einstein:

\(E = mc^2\)

, donde E es la energía, m es la masa y c es la velocidad de la luz. En otras palabras, la masa de nucleones en los nucleoides es ligeramente menor que la masa de los nucleones libres, ya que parte de su masa se libera como energía de unión nuclear.

La energía de unión nuclear por nucleón es diferente para diferentes nucleoides, como se muestra en la Fig. 8.8.1. La composición de los nucleoides cambia durante la reacción nuclear, y la diferencia en la energía de unión nuclear se libera como energía durante el proceso, que es la fuente de energía en el sol, las estrellas, las centrales nucleares y las armas nucleares.

Figura\(\PageIndex{1}\): Gráfico de la energía de unión liberada por un átomo en función de sus nucleones, la energía está en megaelectrón voltios (MeV) donde 1 Mev = 1.60218 10 ^{- 13} J. Fuente: Modificado de Fastfission/ Public domain

El nucleoide más estable con la energía de unión promedio más alta por nucleón es el hierro-56.

Fusión nuclear

Los nucleoides más ligeros tienden a combinarse y hacer nucleoides más pesados que son más estables y arrendan una enorme cantidad de energía, un proceso llamado fusiones nucleares.

Fisión nuclear

Los nucleoides más pesados, particularmente aquellos que tienen un número de masa superior a 92, tienden a dividirse en dos nucleoides más pequeños que son más estables y arrendan una gran cantidad de energía, un proceso llamado fisión nuclear.

Tanto los procesos de fusión como de fisión liberan una tremenda cantidad de energía, llamada energía nuclear o energía atómica, que es la diferencia entre la energía de unión nuclear del nucleoide padre y el hijo.

Fusión nuclear: una fuente de energía en el sol y las estrellas

El universo está compuesto por aproximadamente 98% de hidrógeno y helio. El sol está compuesto de aproximadamente 74% de hidrógeno, 25% de helio y 1% de todos los demás elementos. El nucleoide ligero como el hidrógeno y el helio se fusionan para hacer nucleoides más pesados y partículas subatómicas como neutrones en un proceso llamado fusión nuclear. La fusión nuclear libera energía que es la diferencia en la energía de unión nuclear de sus nucleones en los nucleoides hijo y padre. La energía de fusión es la fuente de energía para el sol y las estrellas. Algunas de las reacciones de fusión nuclear, ilustradas en la Fig. 8.1.1, son las siguientes.

\[\ce{_1^1H + _1^1H -> _2^2H + _{1}^{0}{e}}\nonumber\]

\[\ce{_1^1H + _1^2H -> _2^3H} \nonumber\]

\[\ce{_2^3H + _2^3H -> _2^4H + 2_{1}^{1}{H}}\nonumber\]

\[\ce{_2^3H + _1^1H -> _2^4H + _{1}^{0}{e}}\nonumber\]

Aunque el hidrógeno es abundante en la tierra y una fuente potencial de energía, la reacción de fusión controlada aún no es económicamente factible. La principal dificultad es que la fusión de núcleos requiere temperatura extremadamente alta, superior a cien mil centígrados, y presión extremadamente alta, superior a cien mil atmósferas, para superar las fuerzas repulsivas de las cargas similares de los núcleos antes de que puedan fusionarse. Por esta razón, las reacciones de fusión nuclear también se denominan reacciones termonucleares. Tales condiciones existen en el sol y las estrellas donde estas reacciones ocurren rutinariamente, pero hay muchos problemas técnicos aún por superar antes de que la energía pueda aprovecharse económicamente de las reacciones de fusión nuclear en la tierra. Una explosión nuclear puede crear las condiciones necesarias para las reacciones termonucleares y se utilizan para llevar a cabo reacciones termonucleares incontroladas para impulsar el poder explosivo de las armas nucleares. Tal arma nuclear se llama bomba termonuclear o de hidrógeno.

Figura\(\PageIndex{2}\): Fusión de deuterio con tritio creando helio-4, liberando un neutrón, y liberando 17.59 MeV como energía cinética de los productos mientras desaparece una cantidad correspondiente de masa, de acuerdo con la cinética\(E = \Delta mc^2\), donde Δm es la disminución en la masa total en reposo de partículas. Fuente: Wykis (charla · contribs), Dominio público, vía Wikimedia Commons

Una de las posibles reacciones candidatas para reactores de fusión nuclear es la fusión de deuterio con tritio, ilustrada en la Fig. 8.8.2, que requiere condiciones un poco menos duras. La mayor parte de la investigación se centra en el dispositivo llamado Tokamak, que utiliza fuertes campos magnéticos para contener y calentar los materiales para la reacción, pero hasta el momento no es económicamente factible usarlo como fuente de energía para usos comerciales.

La fisión nuclear: la fuente de energía en las centrales nucleares y en las armas nucleares

La fisión nuclear es un proceso de desintegración radiactiva en el que un nucleoide más pesado se divide en dos nucleoides o más ligeros y libera una tremenda cantidad de energía que es la diferencia en la energía de unión de los nucleones en los nucleoides hijo y progenitor. Los nucleoides que hacen fisión espontánea están marcados de verde en la Fig. 8.2.1.

Combustible nuclear

La fisión inducida es la fisión que ocurre al bombardear un nucleoide con una partícula nuclear, como un neutrón. Por ejemplo, el bombardeo de uranio-235 o plutonio-239 por un neutrón provoca la fisión y libera alrededor de tres neutrones junto con los nucleoides más pequeños, como se ilustra en la Fig. 8.8.3. Los neutrones liberados por la fisión provocan la fisión de otro nucleoide iniciando una reacción nuclear en cadena. Los núcleos como el uranio-235 o el plutonio-239 que producen neutrones en el producto que son capaces de continuar la fisión en una reacción en cadena se denominan fisionables. Los nucleoides fisionables son combustibles nucleares utilizados en las centrales nucleares para producir energía nuclear.

Figura\(\PageIndex{3}\): Ilustración de una reacción en cadena de fisión nuclear. Fuente: MikerUN/CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

Destino de neutrones liberados en un evento de fisión

Los neutrones liberados en un evento de fisión pueden perderse, ser absorbidos por otro núcleo como el uranio-238 que no fisión, o pueden ser absorbidos por otro nucleoide fisionable y repetir la fisión, como se ilustra en la Fig. 8.8.4. Pueden presentarse tres situaciones, Si, en promedio;

1. menos de un neutrón liberado provoca nueva fisión, el proceso se tiñe,
2. un neutrón liberado provoca nueva fisión, la fisión continúa de manera controlada como en las centrales nucleares,
3. más de un neutrón liberado provoca nueva fisión, la fisión aumenta exponencialmente dando como resultado una explosión nuclear, como se ilustra en la Fig. 8.8.3.

Figura\(\PageIndex{4}\): Reacción en cadena de fisión nuclear esquemática. 1. Un átomo de uranio-235 absorbe un neutrón y las fisiones en dos nuevos átomos (fragmentos de fisión), liberando tres nuevos neutrones y algo de energía de unión. Uno de esos neutrones es absorbido por un átomo de uranio-238 y no continúa la reacción. Otro neutrón simplemente se pierde y no choca con nada, tampoco continúa la reacción. Sin embargo, el neutrón choca con un átomo de uranio-235, que luego se fisiona y libera dos neutrones y algo de energía de unión. 3. Ambos neutrones chocan con átomos de uranio-235, cada uno de los cuales se fisionan y libera entre uno y tres neutrones, que luego pueden continuar la reacción. Fuente: Fastfission/ Public domain

Obsérvese que cada evento de fisión no necesariamente divide el nucleoide parental en exactamente los mismos nucleoides hijos, puede dividirse en diferentes combinaciones de nucleoides hijos dando como resultado una mezcla de productos que suelen ser radiactivos, como se ilustra en la Fig. 8.8.4.

Bomba atómica

Una cierta masa mínima del material fisionable, llamada masa crítica, es necesaria para que un evento de fisión crezca exponencialmente y provoque una explosión nuclear. La masa crítica es menor para un material fisionable más enriquecido. Por lo tanto, generalmente el uranio-235 o plutonio 239 enriquecido se utiliza como explosivo en una bomba atómica. La masa más que la masa crítica, llamada masa supercrítica, se divide en porciones subcríticas que se mantienen separadas en el arma para evitar una explosión nuclear. Cuando es necesario, se utiliza la explosión química convencional para obligar a las porciones subcríticas a combinarse y hacer una masa supercrítica para que ocurra una explosión nuclear, como se ilustra en la Fig. 8.8.5.

Figura\(\PageIndex{5}\): Representación esquemática de los dos métodos con los que se monta una bomba de fisión. Fuente: Fastfission/ Public domain

Planta de energía nuclear

Las centrales nucleares, como la ilustrada en la Fig. 8.8.6, aprovechan la energía liberada durante la fisión para la producción de electricidad. El material fisionable se ensambla en forma de barras de combustible en el núcleo de un reactor nuclear. Es importante sostener la reacción nuclear en cadena pero es fundamental mantenerla bajo control para que la reacción en cadena no crezca exponencialmente y cause una explosión nuclear. Varillas de material, como paladio o boro que son absorbentes de neutrones eficientes, se incluyen en el diseño del núcleo del reactor. Las barras absorbedoras de neutrones pueden bajarse o elevarse para controlar el flujo de neutrones disponible para sostener la reacción en cadena de fisión.

Figura\(\PageIndex{1}\): Diseño de una central nuclear con un reactor de agua a presión (PWR).

1. bloque del reactor, 2. torre de enfriamiento, 3. reactor, 4. barra de control, 5. soporte para presión, 6. generador de vapor, 7. elemento combustible, 8. turbina, 9. generador, 10. transformador, 11. condensador, 12. gaseoso, 13. líquido, 14.aire, 15.aire (húmedo), 16. río, 17. circulación de agua de refrigeración, 18. circuito primario, 19. secundario circuito, 20. vapor de agua, 21. bomba. Fuente: Steffen Kuntoff/CC BY-SA 2.0 DE (https://creativecommons.org/licenses...2.0/de/deed.en)

El núcleo del reactor está rodeado por un refrigerante y moderador, que puede ser agua regular (H ₂ O) o agua pesada (D ₂ O), o algún otro material. Se llama refrigerante porque quita el calor producido por la reacción de fisión y moderador porque también ralentiza los neutrones rápidos liberados en la fisión. Los neutrones lentos son más efectivos para la reacción de fisión. El refrigerante transfiere su calor a un generador de vapor. Todos estos componentes están alojados en un edificio de contención para mantener la radiactividad contenida, aunque ocurra un accidente nuclear. El vapor se utiliza para accionar una turbina para la producción de electricidad, y el agua condensada se enfría utilizando agua de la torre de enfriamiento y se devuelve para su reutilización, como se ilustra en la Fig. 8.8.6.

Las centrales nucleares producen alrededor del 20% de la electricidad en Estados Unidos. La Fig. 8.8.7 muestra una planta de energía nuclear en Arkansas. En algunos países, la contribución de la energía nuclear a la electricidad total es mucho mayor, por ejemplo, alrededor del 70% de la electricidad es producida por centrales nucleares en Francia. La energía nuclear se considera una fuente de energía del futuro, o al menos para una transición del combustible fósil a la siguiente fuente importante de energía cuando las reservas de combustibles fósiles se agotarán.

Figura\(\PageIndex{1}\): Central nuclear de Russellville en Arkansas, mostrando una torre de enfriamiento en la parte frontal con vapor no radiactivo que se evapora de ella. Fuente: Edibobb, CC BY 3.0 < https://creativecommons.org/licenses/by/3.0 >, vía Wikimedia Commons

Los productos de fisión en las centrales nucleares se convierten en residuos radiactivos que necesitan ser almacenados durante al menos 10 semividas para alcanzar un nivel aceptable de radiactividad. Con base en la vida media de 28.8 años del estroncio-90, que es el producto de larga vida y peligroso en los desechos nucleares, se necesita un tiempo de almacenamiento de 300 años. El manejo de desechos radiactivos es un tema de preocupación asociado a la producción de energía nuclear. El plutonio-239 es otro isótopo radiactivo producido a partir de la absorción de neutrones por el uranio-238. El uranio-238 es un constituyente principal (99.28%) en el uranio natural junto con el uranio-235 fisionable (0.71%). El plutonio-239 tiene una vida media larga (24,000 Años) pero puede extraerse en una planta de reprocesamiento de combustible y usarse como combustible nuclear.