FUNDAMENTOS DE FÍSICA NUCLEAR

FUNDAMENTOS DE FÍSICA NUCLEAR
Introducción
La materia está compuesta por átomos, unidos entre sí por enlaces químicos. A su vez los
átomos están compuestos de electrones, neutrones y protones, denominándose a estos
dos últimos el núcleo atómico. Como los átomos son neutros esto obliga a que exista el
mismo número de electrones que de protones en un átomo normal, ya que los neutrones
no tiene carga y los protones y electrones tienen igual carga pero de distinto signo.
¿Qué es la fusión nuclear?
La fusión nuclear es una reacción en la que se unen dos núcleos ligeros para formar uno
más pesado. Este proceso desprende energía porque el peso del núcleo pesado es
menor que la suma de los pesos de los núcleos más ligeros. Este defecto de masa se
transforma en energía, se relaciona mediante la fórmula E=mc2 , aunque el defecto de
masa es muy pequeño y la ganancia por átomo es muy pequeña, se ha de tener en
cuenta que es una energía muy concentrada, en un gramo de materia hay millones de
átomos, con lo que poca cantidad de combustible da mucha energía.
No todas las reacciones de fusión producen la misma energía, depende siempre de los
núcleos que se unen y de lo productos de la reacción. La reacción más fácil de conseguir
el la del deuterio (un protón más un neutrón) y tritio (un protón y dos neutrones) para
formar helio (dos neutrones y dos protones) y un neutrón, liberando una energía de 17,6
MeV.
Es una fuente de energía prácticamente inagotable, ya que el deuterio se encuentra en el
agua de mar y el tritio es fácil de producir a partir del neutrón que escapa de la reacción.
Tecnología
Esta reacción que se ha descrito antes es la más fácil de conseguir, pero no quiere decir
que sea sencillo lograr energía de las reacciones de fusión. Para ello se deben unir los
núcleos de dos átomos, el problema radica en que los núcleos de los átomos están
cargados positivamente, con lo que al acercarse cada vez se repelen con más fuerza.
Una posible solución sería acelerarlos en un acelerador de partículas y hacerlos chocar
entre sí pero se gastaría más energía en acelerarlos que la que se obtendría con las
reacciones.
Para solucionar este problema se comprimen esferas de combustible mediante haces de
láseres o de partículas teniendo así la llamada fusión por confinamiento inercial en la que
se obtienen densidades muy elevadas, de manera que los núcleos están muy cercanos
entre ellos, y por efecto túnel se fusionan dando energía.
La otra forma de producir reacciones de fusión de manera que se gane energía es
calentando el combustible hasta temperaturas de millones de grados de manera que los
choques entre núcleos sean por agitación térmica, aquí también se aprovecha el efecto
túnel. Como al estar a tan alta temperatura el combustible se disocia en partículas con
cargas positivas y negativas, éste se puede controlar mediante campos magnéticos, ésta
es la fusión por confinamiento magnético.
Ventajas de la fusión
La fusión nuclear es un recurso energético potencial a gran escala, que puede ser muy útil
para cubrir el esperado aumento de demanda de energía a nivel mundial, en el próximo
siglo. Cuenta con grandes ventajas respecto a otros tipos de recursos:



Los combustibles primarios son baratos, abundantes, no radioactivos y repartidos
geográficamente de manera uniforme (el agua de los lagos y los océanos contiene
hidrógeno pesado suficiente para millones de años, al ritmo actual de consumo de
energía).
Sistema intrínsecamente seguro: el reactor sólo contiene el combustible para los
diez segundos siguientes de operación. Además el medio ambiente no sufre
ninguna agresión: no hay contaminación atmosférica que provoque la "lluvia ácida"
o el "efecto invernadero".
La radiactividad de la estructura del reactor, producida por los neutrones emitidos
en las reacciones de fusión, puede ser minimizada escogiendo cuidadosamente
los materiales, de baja activación. Por tanto, no es preciso almacenar los
elementos del reactor durante centenares y millares de años.
LA FISION NUCLEAR
La fision nuclear es la base del desarrollo de la energia nuclear,cuando un nucleo de
uranio 235 es bombardeado con neutrones,aun de baja energia,se produce una violenta
inestabilidad que hace que el nucleo se divida en dos fragmentos aproximadamente
iguales.Una reaccion nuclear en cadena es posible porque aparte de los dos fragmentos
liberados se emiten neutrones y en este caso particular del uranio 235 los neutrones son
suficientes como para causar una nueva fision.Con otros nucleos es frecuente utilizar gran
cantidad de energia para producir la fision,por ejemplo elementos tal como el radio o el
bismuto necesitan ser bombardeados con particulas alfa de gran energia (40 Mev).En el
otro extremo,elementos hechos por el hombre tal como el californio 252 produce fision
espontaneamente y no se necesita del bombardeo de neutrones,el californio 252 tambien
emite neutrones durante la fision.
El fenomeno de la fision del uranio fue descubierto en Berlin por Hahn y Strassmann en
1939,que llevados por una evidencia quimicas, como la produccion de
BARIO,sospecharon de la posibilidad de la division del nucleo de uranio en dos partes
aproximadamente iguales,ellos comunicaron estos resultados a una colega ,Lise Meitner
que se escapa de Alemania a Suecia por las persecuciones,con su sobrino Otto Frisch
discuten las implicaciones del experimento y preveen que unas de las consecuencias es
la gran cantidad de energia liberada en el proceso de fision,Meitner y Frisch sugirieron
que la energia liberada durante la reaccion era del orden de 200 Mev.
El fisico italiano Enrico Fermi escapado de Italia llega a duras penas a los Estados Unidos
en enero de 1939,al mismo tiempo que las nuevas noticias del descubrimiento de la fision
del uranio.Los acontecimientos fueron comunicados a Niels Bohr,que aprecio
inmediatamente los fundamentos de la fision,el tambien viajo a los Estados Unidos y
transmitio la noticia en forma apurada a la Universidad de Columbia y deseo discutir el
tema con Fermi,la reaccion era tan violenta que los neutrones liberados podrian producir
otras fisiones y el proceso se repetiria,si las circunstancias son suficientemente faborables
una gran cantidad de energia se liberaria.
El proceso de la fision se muestra en la siguiente figura:( el lector puede ver una figura
describiendo el mismo proceso en FISION (1) ).
El nucleo de uranio 235 absorbe un neutron termico,produciendose un nucleo de uranio
236,este nucleo se fisiona y se separa en dos fragmentos,ademas se emite dos neutrones
,estos fragmentos son de Xe-140(Xenon) y de Sr-94(Estroncio).La ecuacion que describe
este proceso,es una igualdad que representa la reaccion nuclear,en el primer miembro se
escriben los cuerpos que reaccionan y en el segundo los que se producen,el signo de la
igualdad se sustituye a menudo por una flecha cuya direccion indica el resultado obtenido:
La
primera
ecuacion
describe el proceso de absorcion de un neutron por el nucleo de U-235 transformandose
en U-236 y la segunda,la fision del U-236 en Xenon,Estroncio y 2 neutrones.Los
fragmentos de Xe-140 y Sr-94 son ambos muy inestables,llegando finalmente a productos
estables por medio de la emision de particulas beta.
La idea basica de la liberacion de energia nuclear es simple,se colocan los nucleos
atomicos proximos unos de otros,de manera que una reaccion en cadena se desarrolle
entre ellos,produciendo nuevos nucleos,cuyas masas son menores que los nucleos
originales .Los nuevos nucleos se mueven con una enrgia que es igual a la masa que
desaparecio durante el cambio.
Mientras que el principio es simple,la aplicacion a la practica demanda un gran esfuerzo
tecnico y cientifico.El siguiente dibujo refleja en forma muy esquematica,una reaccion en
cadena:
En el mismo FF son los fragmentos y N son los neutrones que se originan durante cada
fision del U235.
Aunque la idea de la liberacion de energia del uranio es simple,la puesta en practica es
muy compleja y tiene muchas dificultades,esto llevo a los cientificos y tecnicos a trabajar
durante 20 anos para utilizarla, los sistemas utilizados son muy diferentes de los hornos
donde se quema carbon o gas.
Como sucede con otros elementos el uranio tiene sus propiedades,algunas de las cuales
hace que su tratamiento sea dificultoso.El uranio natural consiste en una mezcla de dos
isotopos,es decir,dos tipos de atomos con las mismas propiedades quimicas,pero
diferentes masas,estos son el uranio 238 y el uranio 235,este ultimo presente en una
proposion de 1 parte en 140 y como vimos es el responsable de la fision(la creacion de
nuevos elemetos tal como el plutonio y de un isotopo,el uranio 233,permite utilizarlos
como al uranio 235).Cuando se extrae uranio,el U 238 esta presente en gran proporsion y
este reacciona con los neutrones absorbiendolos fuertemente,por lo tanto,los neutrones
libres en un cuerpo de uranio tienen pocas probabilidades de producir fision por dos
razones: en dicho cuerpo el U 235 esta muy diluido y el U 238 presente en gran
proporsion,los absorbe,por este motivo una reaccion en cadena no se desarrollara en
forma espontanea en un cuerpo de uranio natural puro.Evidentemente una forma de
realizar una reaccion en cadena que se mantenga es sacando el U 238 del U 235,la
separacion es dificultosa pero posible.
El uranio se combina con el fluor,formando un gas que es muy corrosivo y tiene muchas
dificultades en tratar,en dicho gas hay moleculas que poseen U 235 y otras U 238 este
ultimo al ser mas pesado tiende a quedarse atras,cuando se difunde al gas a traves de
una membrana porosa.Si se repite este proceso,reciclandolo,de manera que pase por
muchas membranas,las moleculas que poseen U 238 son gradualmente extraidas y U
235 se va purificando.Como la diferencia de masa del U 235 y del U 238 es muy
pequena,el gas debe ser reciclado millones de veces,esto requiere una planta purificadora
enorme,con canos de grandes distancias y miles de bombas;realizar una membrana
porosa muy fina y que resista el ataque del gas hexafluoruro es tecnicamente muy
dificultoso. Al trabajar con uranio se corre riesgos de salud,por ser este radiactivo(lo
mismo ocurre con el gas, que puede causar danos en el hombre).Una planta de difusion
es enorme y requiere la solucion de problemas de metalurgia y de materiales en
general,esta debe ser operada en forma automatica por la cantidad de repeticiones y
problemas de seguridad(esta planta en si es tan peligrosa como un reactor nuclear,tenga
en cuenta el lector que sucederia con el medio ambiente si se produjera una fuga
seria,por lo tanto se deben tomar extrictas medidas de seguridad),dimensiones tipicas de
tal planta son 122 metros de ancho por 1.6 kilometros(!) de largo.Los plasticos utilizados
en la planta son del tipo fluoroteno,el cual es resistente a la corrosion del hexafluoruoro de
uranio y se utiliza en bombas y canos,las barreras porosas deben ser finas y fuertes y los
poros tener una dimension de 10 milesimas de pulgada,las miles de bombas requieren
gran cantidad de energia electrica para su accionamiento y sistemas de muestreo
automatico del material a tratar y su posterior analisis por medio de espectrografos de
masa.El porcentaje de U 235 en uranio debe ser elevado hasta que el metal consista de
casi solo U 235,en un cuerpo esferico de tal material se desarrolla una reaccion en
cadena que asegure una cantidad suficiente de neutrones que realicen fisiones antes de
escapar fuera del cuerpo,si las dimensiones del cuerpo son menores de la llamada
DIMENSION CRITICA la reaccion en cadena no se mantiene; los neutrones liberados
salen a una velocidad de 15000 kilometros por segundo y recorren algunos centimetros
en uranio 235 puro antes de ininiciar una nueva fision por lo tanto la reaccion en cadena
se desarrolla a enorme velocidad.
Este es el principio del reactor rapido,la dimension critica necesaria para desarrollar una
reccion en cadena es realmente pequena,el control de una reaccion, en cual los
neutrones viajan a tal velocidad parece algo imposible,pero esto se realiza
facilmente,tomando ventaja de la propiedad de que en la fision del uranio, los neutrones
no se liberan inmediatamente,sino que tardan algunos segundos y esto da suficiente
tiempo para prevenir la creacion de un exceso de neutrones,moviendo partes dentro del
reactor,esta diposicion se realiza en forma automatica,de manera que una reaccion en
cadena pueda ser mantenida a un limite de intensidad exacto por largo tiempo.Los
neutrones lentos son mas efectivos que los rapidos en producir una fision y si a estos se
les disminuye aun mas esta velocidad producen mas rapidamente fisiones que la
resutante de neutrones absorvidos por el U 238,el efecto de los neutrones sobre el U 235
y el U 238 depende de sus velocidades,a determinada velocidad algunos reaccion mas
rapidamente que otros y si el nucleo resuena cuando recibe un neutron a dicha velocidad
se pone a este en una condicion de facil reaccion.
Fermi demostro en 1935 que a los neutrones se les puede disminuir la
velocidad,haciendolos chocar contra elementos livianos tal como el hidrogeno,el berilo o
el carbon,de las leyes de la mecanica surge que las particulas elasticas pierden mucho
menos su momento cuando chocan contra particulas mas pesadas que cuandon lo hacen
contra mas livianas,un material usado para disminuir la velocidad se de nomina
MODERADOR.Fermi utilizo este descubrimiento del moderador para producir LA
PRIMERA REACCION en cadena nuclear en 1942.