11.9: Fsión nuclear y fusión nuclear

Objetivos de aprendizaje

• Explicar los procesos de fisión y fusión nuclear.
• Escribir y equilibrar ecuaciones de fisión nuclear y fusión.
• Relacionar los conceptos de masa crítica y reacciones nucleares en cadena.

La fusión nuclear y la fisión nuclear son dos tipos diferentes de reacciones liberadoras de energía en las que la energía se libera de enlaces atómicos de alta potencia entre las partículas dentro del núcleo. La principal diferencia entre estos dos procesos es que la fisión es la división de un átomo en dos o más pequeños mientras que la fusión es la fusión de dos o más átomos más pequeños en uno más grande.

Los protones y neutrones conforman un núcleo, que es la base de la ciencia nuclear. La fisión y fusión implica la dispersión y combinación de núcleos elementales e isótopos, y parte de la ciencia nuclear es comprender el proceso detrás de este fenómeno. Sumando las masas individuales de cada una de estas partículas subatómicas de cualquier elemento dado siempre te dará una masa mayor que la masa del núcleo en su conjunto. La idea que falta en esta observación es el concepto llamado energía nuclear vinculante. La energía de unión nuclear es la energía requerida para mantener intactos los protones y neutrones de un núcleo, y la energía que se libera durante una fisión o fusión nuclear es la energía nuclear. Sin embargo, hay algunas cosas a considerar. La masa del núcleo de un elemento en su conjunto es menor que la masa total de sus protones y neutrones individuales.

Para calcular la energía liberada durante la destrucción masiva tanto en la fisión nuclear como en la fusión, utilizamos la ecuación de Einstein que equipara energía y masa:

\[ E=mc^2 \label{1} \]

con\(m\) es masa (kilogramos),\(c\) es velocidad de la luz (metros/seg) y\(E\) es energía (julios).

Fsión nuclear

Muchos elementos más pesados con energías de unión más pequeñas por nucleón pueden descomponerse en elementos más estables que tienen números de masa intermedios y mayores energías de unión por núcleo, es decir, números de masa y energías de unión por nucleón que están más cerca del “pico” del gráfico de energía de unión cerca de 56. A veces también se producen neutrones. A esta descomposición se le llama fisión, la ruptura de un núcleo grande en trozos más pequeños. El rompimiento es bastante aleatorio con la formación de un gran número de productos diferentes. La fisión generalmente no ocurre de forma natural, sino que es inducida por el bombardeo con neutrones. La primera fisión nuclear reportada ocurrió en 1939 cuando tres científicos alemanes, Lise Meitner, Otto Hahn y Fritz Strassman, bombardearon átomos de uranio-235 con neutrones de movimiento lento que dividieron los núcleos U-238 en fragmentos más pequeños que consistían en varios neutrones y elementos cerca de la mitad del periódico mesa. Desde entonces, se ha observado fisión en muchos otros isótopos, incluyendo la mayoría de los isótopos de actínidos que tienen un número impar de neutrones. En la Figura se muestra una reacción típica de fisión nuclear\(\PageIndex{1}\).

Figura\(\PageIndex{1}\): Cuando un neutrón lento golpea un núcleo U-235 fisionable, se absorbe y forma un núcleo U-236 inestable. El núcleo U-236 luego se rompe rápidamente en dos núcleos más pequeños (en este caso, Ba-141 y Kr-92) junto con varios neutrones (generalmente dos o tres), y libera una cantidad muy grande de energía.

Entre los productos de Meitner, Hahn y la reacción de fisión de Strassman se encontraban bario, criptón, lantano y cerio, todos los cuales tienen núcleos que son más estables que el uranio-235. Desde entonces, se han observado cientos de isótopos diferentes entre los productos de sustancias fisionables. Algunas de las muchas reacciones que ocurren para U-235, y una gráfica que muestra la distribución de sus productos de fisión y sus rendimientos, se muestran en la Figura\(\PageIndex{2}\). Se han observado reacciones de fisión similares con otros isótopos de uranio, así como con una variedad de otros isótopos como los del plutonio.

Figura\(\PageIndex{2}\): (a) La fisión nuclear del U-235 produce una gama de productos de fisión. (b) Los productos de fisión más grandes del U-235 suelen ser un isótopo con un número de masa alrededor de 85—105, y otro isótopo con un número de masa que es aproximadamente 50% mayor, es decir, aproximadamente 130—150.

Una tremenda cantidad de energía es producida por la fisión de elementos pesados. Por ejemplo, cuando un mol de U-235 sufre fisión, los productos pesan aproximadamente 0.2 gramos menos que los reactivos; esta masa “perdida” se convierte en una cantidad muy grande de energía, aproximadamente 1.8 × 10 ¹⁰ kJ por mol de U-235. Las reacciones de fisión nuclear producen cantidades increíblemente grandes de energía en comparación con las reacciones químicas. La fisión de 1 kilogramo de uranio-235, por ejemplo, produce alrededor de 2.5 millones de veces más energía que la que se produce al quemar 1 kilogramo de carbón.

Al someterse a fisión, el U-235 produce dos núcleos “medianos”, y dos o tres neutrones. Estos neutrones pueden entonces causar la fisión de otros átomos de uranio-235, que a su vez proporcionan más neutrones que pueden causar fisión de aún más núcleos, y así sucesivamente. Si esto ocurre, tenemos una re acción de cadena nuclear (Figura\(\PageIndex{3}\)). Por otro lado, si demasiados neutrones escapan del material a granel sin interactuar con un núcleo, entonces no se producirá ninguna reacción en cadena.

Figura\(\PageIndex{3}\): La fisión de un núcleo grande, como el U-235, produce dos o tres neutrones, cada uno de los cuales es capaz de provocar la fisión de otro núcleo por las reacciones mostradas. Si este proceso continúa, se produce una reacción nuclear en cadena.

Se dice que el material que puede sostener una reacción en cadena de fisión nuclear es fisible o fisionable. (Técnicamente, el material fisionable puede sufrir fisión con neutrones de cualquier energía, mientras que el material fisionable requiere neutrones de alta energía). La fisión nuclear se vuelve autosostenible cuando el número de neutrones producidos por la fisión es igual o superior al número de neutrones absorbidos por la división de núcleos más el número que escapan al entorno. La cantidad de un material fisionable que soportará una reacción en cadena autosostenida es una masa crítica. Una cantidad de material fisionable que no puede sostener una reacción en cadena es una masa subcrítica. Una cantidad de material en la que hay una tasa creciente de fisión se conoce como masa supercrítica.

Las centrales nucleares están diseñadas de tal manera que no pueden formar una masa supercrítica de material fisionable y por lo tanto no pueden crear una explosión nuclear. Pero como lo ha demostrado la historia, las fallas de los sistemas y salvaguardas pueden causar accidentes catastróficos, incluyendo explosiones químicas y fusiones nucleares (daños al núcleo del reactor por sobrecalentamiento). La siguiente característica Química en la vida cotidiana explora tres infames incidentes de fusión.

Accidentes Nucleares

La importancia de la refrigeración y la contención están ampliamente ilustradas por tres grandes accidentes ocurridos con los reactores nucleares en las estaciones generadoras de energía nuclear en Estados Unidos (Three Mile Island), la ex Unión Soviética (Chernobyl) y Japón (Fukushima).

En marzo de 1979, el sistema de enfriamiento del reactor Unidad 2 en la Estación de Generación Nuclear Three Mile Island en Pensilvania falló, y el agua de enfriamiento se derramó del reactor al piso del edificio de contención. Después de que las bombas pararon, los reactores se sobrecalentaron debido al alto calor de desintegración radiactiva producido en los primeros días después de que el reactor nuclear se apagara. La temperatura del núcleo subió a al menos 2200 °C, y la porción superior del núcleo comenzó a fundirse. Además, el revestimiento de aleación de circonio de las barras de combustible comenzó a reaccionar con vapor y produjo hidrógeno:

\[\ce{Zr}(s)+\ce{2H2O}(g)⟶\ce{ZrO2}(s)+\ce{2H2}(g) \nonumber \]

El hidrógeno se acumuló en el edificio de confinamiento, y se temía que existiera peligro de una explosión de la mezcla de hidrógeno y aire en el edificio. En consecuencia, el gas hidrógeno y los gases radiactivos (principalmente kriptón y xenón) fueron ventilados del edificio. Dentro de una semana, se restauró la circulación del agua de refrigeración y el núcleo comenzó a enfriarse. La planta estuvo cerrada por casi 10 años durante el proceso de limpieza.

Si bien es deseable la descarga cero de material radiactivo, la descarga de criptón radiactivo y xenón, como la ocurrida en la planta de Three Mile Island, se encuentra entre las más tolerables. Estos gases se dispersan fácilmente en la atmósfera y por lo tanto no producen áreas altamente radiactivas. Además, son gases nobles y no se incorporan a la materia vegetal y animal en la cadena alimentaria. Efectivamente, ninguno de los elementos pesados del núcleo del reactor se liberó al ambiente, y no fue necesaria la limpieza del área fuera del edificio de contención (Figura\(\PageIndex{4}\)).

Figura\(\PageIndex{4}\): a) En esta foto de 2010 de Three Mile Island, las estructuras restantes del reactor dañado de la Unidad 2 se ven a la izquierda, mientras que el reactor separado de la Unidad 1, no afectado por el accidente, continúa generando energía hasta el día de hoy (derecha). b) El presidente Jimmy Carter visitó la sala de control de la Unidad 2 pocos días después del accidente de 1979.

Otro accidente nuclear importante que involucró a un reactor ocurrió en abril de 1986, en la Central Nuclear de Chernobyl en Ucrania, que aún formaba parte de la ex Unión Soviética. Mientras operaba a baja potencia durante un experimento no autorizado con algunos de sus dispositivos de seguridad apagados, uno de los reactores de la planta se volvió inestable. Su reacción en cadena se volvió incontrolable y aumentó a un nivel mucho más allá de lo que el reactor fue diseñado para. La presión de vapor en el reactor se elevó entre 100 y 500 veces la presión de potencia completa y rompió el reactor. Debido a que el reactor no estaba encerrado en un edificio de contención, se arrojó una gran cantidad de material radiactivo y se liberaron productos de fisión adicionales, ya que el moderador de grafito (carbono) del núcleo se encendió y quemó. El incendio fue controlado, pero más de 200 trabajadores de la planta y bomberos desarrollaron enfermedad aguda por radiación y al menos 32 pronto murieron por los efectos de la radiación. Se pronostica que se producirán alrededor de 4000 muertes más entre los trabajadores de emergencia y ex residentes de Chernobyl por cáncer y leucemia inducidos por radiación. Desde entonces, el reactor ha sido encapsulado en acero y hormigón, una estructura ahora en descomposición conocida como sarcófago. Casi 30 años después, aún persisten importantes problemas de radiación en la zona, y Chernobyl sigue siendo en gran parte un páramo.

En 2011, la Central Nuclear Fukushima Daiichi en Japón resultó gravemente dañada por un terremoto de magnitud 9.0 y el tsunami resultante. Tres reactores en funcionamiento en ese momento se apagaron automáticamente, y los generadores de emergencia entraron en línea para alimentar sistemas electrónicos y refrigerantes. Sin embargo, el tsunami inundó rápidamente los generadores de emergencia y cortó la energía a las bombas que circulaban agua refrigerante a través de los reactores. El vapor de alta temperatura en los reactores reaccionó con aleación de circonio para producir gas hidrógeno. El gas escapó al edificio de contención, y la mezcla de hidrógeno y aire explotó. Se liberó material radiactivo de los recipientes de contención como resultado de la ventilación deliberada para reducir la presión de hidrógeno, la descarga deliberada de agua refrigerante al mar y eventos accidentales o incontrolados.

Una zona de evacuación alrededor de la planta dañada se extendió a más de 12.4 millas de distancia, y se estima que 200 mil personas fueron evacuadas de la zona. Las 48 centrales nucleares de Japón fueron posteriormente apagadas, permaneciendo clausuradas a partir de diciembre de 2014. Desde el desastre, la opinión pública ha pasado de favorecer en gran medida a oponerse en gran medida al aumento del uso de las centrales nucleares, y un reinicio del programa de energía atómica de Japón todavía está estancado (Figura\(\PageIndex{5}\)).

Figura\(\PageIndex{5}\): a) Después del accidente, hubo que eliminar los desechos contaminados, y b) se instaló una zona de evacuación alrededor de la planta en áreas que recibieron grandes dosis de lluvia radiactiva. (crédito a: modificación de obra de “Live Action Hero” /Flickr)

La energía producida por un reactor alimentado con uranio enriquecido es el resultado de la fisión del uranio así como de la fisión del plutonio producido mientras el reactor opera. Como se discutió anteriormente, el plutonio se forma a partir de la combinación de neutrones y el uranio en el combustible. En cualquier reactor nuclear, solo alrededor del 0.1% de la masa del combustible se convierte en energía. El otro 99.9% permanece en las barras de combustible como productos de fisión y combustible no utilizado. Todos los productos de fisión absorben neutrones, y después de un periodo de varios meses a algunos años, dependiendo del reactor, los productos de fisión deben eliminarse cambiando las barras de combustible. De lo contrario, la concentración de estos productos de fisión aumentaría y absorbería más neutrones hasta que el reactor ya no pudiera operar.

Las barras de combustible gastado contienen una variedad de productos, consistentes en núcleos inestables que varían en número atómico de 25 a 60, algunos elementos de transuranio, incluyendo plutonio y americio, e isótopos de uranio sin reaccionar. Los núcleos inestables y los isótopos de transuranio dan al combustible gastado un nivel peligrosamente alto de radiactividad. Los isótopos de larga vida requieren miles de años para descomponerse a un nivel seguro. El destino final del reactor nuclear como fuente importante de energía en Estados Unidos probablemente se basa en si se puede desarrollar o no una técnica política y científicamente satisfactoria para procesar y almacenar los componentes de las barras de combustible gastado.

Fusión nuclear

El proceso de convertir núcleos muy ligeros en núcleos más pesados también va acompañado de la conversión de la masa en grandes cantidades de energía, un proceso llamado fusión. La principal fuente de energía en el sol es una reacción de fusión neta en la que cuatro núcleos de hidrógeno se fusionan y producen un núcleo de helio y dos positrones. Esta es una reacción neta de una serie de eventos más complicada:

\[\ce{4^1_1H ⟶ ^4_2He + 2^0_{+1}}\]

Un núcleo de helio tiene una masa 0.7% menor que la de cuatro núcleos de hidrógeno; esta masa perdida se convierte en energía durante la fusión. Esta reacción produce aproximadamente 3.6 × 10 ¹¹ kJ de energía por mol de\(\ce{^4_2He}\) producido. Esto es algo mayor que la energía producida por la fisión nuclear de un mol de U-235 (1.8 × 10 ¹⁰ kJ), y más de 3 millones de veces mayor que la energía producida por la combustión (química) de un mol de octano (5471 kJ).

Se ha determinado que los núcleos de los isótopos pesados de hidrógeno, un deuterón\(^2_1\) y un tritón\(^3_1\), experimentan fusión a temperaturas extremadamente altas (fusión termonuclear). Forman un núcleo de helio y un neutrón:

\[\ce{^2_1H + ^3_1H ⟶ ^4_2He + 2^1_0n}\]

Este cambio procede con una pérdida de masa de 0.0188 amu, correspondiente a la liberación de 1.69 × 10 ⁹ kilojulios por mol de\(\ce{^4_2He}\) formado. La temperatura muy alta es necesaria para dar a los núcleos suficiente energía cinética para superar las fuerzas repulsivas muy fuertes resultantes de las cargas positivas en sus núcleos para que puedan colisionar.

Figura\(\PageIndex{6}\): Fusión de deuterio con tritio creando helio-4, liberando un neutrón y liberando 17.59 MeV de energía, como cantidad apropiada de formas de cambio de masa para aparecer como la energía cinética de los productos, de acuerdo con la cinética\(E = Δmc^2\), donde Δm es el cambio en la masa de reposo de las partículas. [Uso de la imagen con permiso vía Wikipedia (Wykis)

El proceso de fusión más importante en la naturaleza es el que alimenta a las estrellas. En el siglo XX, se dio cuenta de que la energía liberada por las reacciones de fusión nuclear representaba la longevidad del Sol y otras estrellas como fuente de calor y luz. La fusión de núcleos en una estrella, a partir de su abundancia inicial de hidrógeno y helio, proporciona esa energía y sintetiza nuevos núcleos como subproducto de ese proceso de fusión. El principal productor de energía en el Sol es la fusión de hidrógeno para formar helio, que ocurre a una temperatura de núcleo solar de 14 millones de kelvin. El resultado neto es la fusión de cuatro protones en una partícula alfa, con la liberación de dos positrones, dos neutrinos (que cambia dos de los protones en neutrones) y energía (Figura\(\PageIndex{7}\)).

Figura\(\PageIndex{7}\): (izquierda) El Sol es una estrella de secuencia principal, y así genera su energía por fusión nuclear de núcleos de hidrógeno en helio. En su núcleo, el Sol fusiona 620 millones de toneladas métricas de hidrógeno cada segundo. (derecha) La cadena protón-protón domina en estrellas del tamaño del Sol o más pequeñas.

Ejemplo\(\PageIndex{1}\)

Calcular la energía liberada en cada uno de los siguientes procesos hipotéticos.

1. \(\ce{3 ^4_2He \rightarrow ^{12}_6C}\)
2. \(\ce{6 ^1_1H + 6 ^1_0n \rightarrow ^{12}_6C}\)
3. \(\ce{6 ^2_1D \rightarrow ^{12}_6C}\)

Solución

1. \(Q_a = 3 \times 4.0026 - 12.000) \,amu \times (1.4924\times 10^{-10} \,J/amu) = 1.17 \times 10^{-12} \,J\)
2. \(Q_b = (6 \times (1.007825 + 1.008665) - 12.00000)\, amu \times (1.4924\times 10^{1-0} J/amu) = 1.476\times 10^{-11} \,J\)
3. \(Q_c = 6 \times 2.014102 - 12.00000 \, amu \times (1.4924\times 10^{-10} \, J/amu) = 1.263\times 10^{-11}\, J\)

Fusión de\(\ce{He}\) para dar\(\ce{C}\) libera la menor cantidad de energía, porque la fusión para producir ha liberado una gran cantidad. La diferencia entre el segundo y el tercero es la energía de unión del deuterio. La conservación de la masa y la energía está bien ilustrada en estos cálculos. Por otro lado, el cálculo se basa en la conservación de masa y energía.

Reactores Nucleares

Las reacciones de fusión útiles requieren temperaturas muy altas para su inicio, alrededor de 15.000.000 K o más. A estas temperaturas, todas las moléculas se disocian en átomos, y los átomos se ionizan, formando plasma. Estas condiciones ocurren en un número extremadamente grande de ubicaciones en todo el universo: las estrellas son impulsadas por la fusión. Los humanos ya han descubierto cómo crear temperaturas lo suficientemente altas como para lograr la fusión a gran escala en armas termonucleares. Un arma termonuclear como una bomba de hidrógeno contiene una bomba de fisión nuclear que, cuando explota, emite suficiente energía para producir las temperaturas extremadamente altas necesarias para que ocurra la fusión.

Figura\(\PageIndex{8}\): (a) Este modelo es del reactor termonuclear experimental internacional (ITER). Actualmente en construcción en el sur de Francia con una fecha prevista de finalización de 2027, el ITER será el reactor de fusión nuclear Tokamak experimental más grande del mundo con el objetivo de lograr una producción de energía sostenida a gran escala. b) En 2012, la Instalación Nacional de Encendido del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore produjo brevemente más de 500,000,000,000 vatios (500 teravatios o 500 TW) de potencia máxima y entregó 1,850,000 julios (1.85 MJ) de energía, la mayor energía láser jamás producida y 1000 veces el consumo de energía de todo el United Estados en un momento dado. Aunque duraron solo unas billonésimas de segundo, los 192 láseres alcanzaron las condiciones necesarias para la ignición por fusión nuclear. Esta imagen muestra el objetivo previo al disparo láser. (crédito a: modificación de obra de Stephan Mosel)

Otra forma mucho más beneficiosa de crear reacciones de fusión es en un reactor de fusión, un reactor nuclear en el que se controlan las reacciones de fusión de núcleos de luz. Debido a que ningún material sólido es estable a temperaturas tan altas, los dispositivos mecánicos no pueden contener el plasma en el que ocurren las reacciones de fusión. Dos técnicas para contener plasma a la densidad y temperatura necesarias para una reacción de fusión son actualmente el foco de esfuerzos intensivos de investigación: la contención por un campo magnético y por el uso de rayos láser enfocados (Figura\(\PageIndex{8}\)). Una serie de grandes proyectos están trabajando para lograr uno de los mayores objetivos de la ciencia: conseguir que el combustible de hidrógeno se encienda y produzca más energía que la cantidad suministrada para lograr las temperaturas y presiones extremadamente altas que se requieren para la fusión. Al momento de escribir este artículo, no hay reactores de fusión autosostenibles operando en el mundo, aunque las reacciones de fusión controlada a pequeña escala se han llevado a cabo por periodos muy breves.

Colaboradores y Atribuciones

• Paul Flowers (University of North Carolina - Pembroke), Klaus Theopold (University of Delaware) and Richard Langley (Stephen F. Austin State University) with contributing authors. Textbook content produced by OpenStax College is licensed under a Creative Commons Attribution License 4.0 license. Download for free at http://cnx.org/contents/85abf193-2bd...a7ac8df6@9.110).