10.2: Fsión y Fusión
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Resultados de aprendizaje
- Definir fisión.
- Describir una reacción nuclear en cadena y cómo se aplica tanto en una bomba de fisión como en una central nuclear.
- Definir fusión.
Fsión nuclear
Los núcleos más estables son de masa intermedia. Para ser más estables, los núcleos más pesados son capaces de dividirse en fragmentos más pequeños. La fisión nuclear es un proceso en el que un núcleo muy pesado (masa > 200) se divide en núcleos más pequeños de masa intermedia. Debido a que los núcleos más pequeños son más estables, el proceso de fisión libera enormes cantidades de energía. La fisión nuclear puede ocurrir espontáneamente o puede ocurrir como resultado del bombardeo. Cuando el uranio-235 es golpeado con un neutrón de movimiento lento, lo absorbe y se convierte temporalmente en el uranio-236 muy inestable. Este núcleo se divide en dos núcleos de masa media a la vez que emite más neutrones. La masa de los productos es menor que la masa de los reactivos, siendo la masa perdida convertida en energía.
Reacciones Nucleares en Cadena
Debido a que el proceso de fisión produce más neutrones, puede resultar una reacción en cadena. Una reacción en cadena es una reacción en la que el material que inicia la reacción también es uno de los productos y puede iniciar otra reacción. A continuación se ilustra una reacción nuclear en cadena para la fisión de uranio-235.
El núcleo original de uranio-235 absorbe un neutrón, se divide en un núcleo de kriptón-92 y un núcleo de bario-141, y libera tres neutrones más al dividirse.
\[\ce{^{235}_{92}U} + \ce{^1_0n} \rightarrow \ce{^{92}_{36}Kr} + \ce{^{141}_{56}Ba} + 3 \ce{^1_0n}\]
Esos tres neutrones son entonces capaces de provocar la fisión de tres núcleos más de uranio-235, cada uno de los cuales libera más neutrones, y así sucesivamente. La reacción en cadena continúa hasta que todos los núcleos de uranio-235 se hayan dividido, o hasta que los neutrones liberados escapen de la muestra sin golpear más núcleos. Si el tamaño de la muestra original de uranio-235 es suficientemente pequeño, se escapan demasiados neutrones sin golpear a otros núcleos, y la reacción en cadena cesa rápidamente. La masa crítica es la cantidad mínima de material fisionable necesario para sostener una reacción en cadena. Las bombas atómicas y los reactores nucleares son dos formas de aprovechar la gran energía liberada durante la fisión nuclear.
Bombas Atómicas - Reacciones Nucleares Incontroladas
En una bomba atómica, o bomba de fisión, la reacción nuclear en cadena está diseñada para ser incontrolada, liberando enormes cantidades de energía en poco tiempo. Una masa crítica de plutonio fisionable está contenida dentro de la bomba, pero no a una densidad suficiente. Se utilizan explosivos convencionales para comprimir el plutonio, lo que hace que se vuelva crítico y desencadene una explosión nuclear.
Centrales nucleares: reacciones nucleares controladas
Una planta de energía nuclear (ver figura abajo) utiliza una reacción de fisión controlada para producir grandes cantidades de calor. Luego se utiliza el calor para generar energía eléctrica.
El uranio-235, el material fisionable habitual en un reactor nuclear, se empaqueta primero en barras de combustible. Para evitar que la reacción en cadena se procese sin control, se colocan barras de control móviles entre las barras de combustible. Las barras de control limitan la cantidad de neutrones disponibles al absorber algunos de ellos y evitar que la reacción avance demasiado rápido. Los materiales comunes para barras de control incluyen aleaciones con varias cantidades de plata, indio, cadmio o boro. Un moderador es un material que ralentiza los neutrones de alta velocidad. Esto es beneficioso porque los neutrones de movimiento lento son más eficientes en la división de núcleos. El agua se utiliza a menudo como moderador. El calor liberado por la reacción de fisión es absorbido por el agua refrigerante que circula constantemente. El agua refrigerante libera su calor a un generador de vapor, que gira una turbina y genera electricidad. El núcleo del reactor está rodeado por una estructura de contención que absorbe la radiación.
Fusión nuclear
Los núcleos más ligeros tampoco son tan estables como los núcleos de masa intermedia. La fusión nuclear es un proceso en el que los núcleos de masa ligera se combinan para formar un núcleo más pesado y estable. La fusión produce aún más energía que la fisión. En el sol y otras estrellas, cuatro núcleos de hidrógeno se combinan a temperaturas y presiones extremadamente altas para producir un núcleo de helio. La pérdida concurrente de masa se convierte en cantidades extraordinarias de energía (véase la figura a continuación).
La fusión es aún más atractiva que la fisión como fuente de energía porque no se producen residuos radiactivos y el único reactivo que se necesita es el hidrógeno. Sin embargo, las reacciones de fusión solo ocurren a temperaturas muy altas, superiores a\(40,000,000^\text{o} \text{C}\). Ningún material conocido puede soportar tales temperaturas, por lo que actualmente no existe una forma factible de aprovechar la fusión nuclear para la producción de energía, aunque la investigación está en curso.
Usos de la Radiación
Como vimos anteriormente, diferentes tipos de radiación varían en sus capacidades para penetrar a través de la materia. Las partículas alfa tienen una capacidad de penetración muy baja y son detenidas por la piel y la ropa. Las partículas beta tienen una capacidad de penetración que es aproximadamente 100 veces mayor que la de las partículas alfa. Los rayos gamma tienen una capacidad de penetración muy alta y se debe tener mucho cuidado para evitar la sobreexposición a los rayos gamma.
Exposición y detección
La radiación emitida por radioisótopos se llama radiación ionizante. La radiación ionizante es radiación que tiene suficiente energía para derribar electrones de los átomos de una sustancia bombardeada y producir iones. El roentgen es una unidad que mide la radiación nuclear y es igual a la cantidad de radiación que produce pares de\(2 \times 10^9\) iones cuando pasa a través\(1 \: \text{cm}^3\) del aire. La principal preocupación es que la radiación ionizante puede dañar los tejidos vivos. El daño por radiación se mide en rems, lo que significa hombre equivalente a roentgen. Un rem es la cantidad de radiación ionizante que causa tanto daño al tejido humano como lo hace 1 roentgen de rayos X de alto voltaje. El daño tisular por radiación ionizante puede causar mutaciones genéticas debido a interacciones entre la radiación y el ADN, lo que puede conducir al cáncer.
Constantemente te bombardean con radiación de fondo del espacio y de fuentes geológicas que varían según donde vivas. La exposición promedio se estima en aproximadamente 0.1 rem por año. El máximo permisible de exposición a la radiación para las personas de la población general es de 0.5 rem por año. Algunas personas están naturalmente en mayor riesgo debido a sus ocupaciones, por lo que se han desarrollado instrumentos confiables para detectar la exposición a la radiación. Un contador Geiger es un dispositivo que utiliza un tubo de metal lleno de gas para detectar radiación (ver figura a continuación). Cuando el gas se expone a radiación ionizante, conduce una corriente, y el contador Geiger lo registra como clics audibles. La frecuencia de los clics corresponde a la intensidad de la radiación.
Un contador de centelleo es un dispositivo que utiliza una superficie recubierta de fósforo para detectar radiación por la emisión de ráfagas brillantes de luz. Los trabajadores que están en riesgo de exposición a la radiación usan pequeñas placas de película portátiles. Una placa de película consiste en varias capas de película fotográfica que pueden medir la cantidad de radiación a la que el usuario ha estado expuesto. Las placas de película son retiradas y analizadas a intervalos periódicos para asegurar que la persona no quede sobreexpuesta a la radiación sobre bases acumuladas.
Medicina y Agricultura
Los nucleidos radiactivos, como el cobalto-60, se utilizan frecuentemente en medicina para tratar ciertos tipos de cáncer. Las células cancerosas de crecimiento más rápido están expuestas a la radiación y son más susceptibles al daño que las células sanas. Así, las células en el área cancerosa son destruidas por la exposición a radiación de alta energía. El tratamiento con radiación es riesgoso porque algunas células sanas también se matan, y las células en el centro de un tumor canceroso pueden volverse resistentes a la radiación.
Los trazadores radiactivos son átomos radiactivos que se incorporan a las sustancias para que el movimiento de estas sustancias pueda ser rastreado por un detector de radiación. Los trazadores se utilizan en el diagnóstico de cáncer y otras enfermedades. Por ejemplo, el yodo-131 se utiliza para detectar problemas con la tiroides de una persona. Un paciente primero ingiere una pequeña cantidad de yodo-131. Aproximadamente dos horas después, la captación de yodo por la tiroides se determina mediante una gammagrafía de radiación de la garganta del paciente. De manera similar, el tecnecio-99 se usa para detectar tumores cerebrales y trastornos hepáticos, y el fósforo-32 se usa para detectar cáncer de piel.
Los trazadores radiactivos pueden ser utilizados en la agricultura para probar la efectividad de diversos fertilizantes. El fertilizante se enriquece con un radioisótopo, y la absorción del fertilizante por la planta puede ser monitoreada midiendo los niveles de radiación emitida. La radiación nuclear también se utiliza para prolongar la vida útil de los productos al matar bacterias e insectos que de otro modo harían que los alimentos se echaran a perder más rápido.
Colaboradores y Atribuciones
CK-12 Foundation by Sharon Bewick, Richard Parsons, Therese Forsythe, Shonna Robinson, and Jean Dupon.
Allison Soult, Ph.D. (Department of Chemistry, University of Kentucky)