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FISIÓN NUCLEAR
Cuando un núcleo se fisiona se divide en varios fragmentos más pequeños. Estos
fragmentos, o los productos de la fisión, son aproximadamente la mitad de la masa
original. Dos o tres neutrones también se emiten. La suma de las masas de estos
fragmentos es menor que la masa original. Esta masa ' que falta ' (cerca de 0,1 por
ciento de la masa original) se ha convertido en energía según la ecuación de
Einstein. La fisión puede ocurrir cuando un núcleo de un átomo pesado captura un
neutrón, o puede suceder espontáneamente.
REACCIONES NUCLEARES EN CADENA
Una reacción en cadena se refiere a un proceso en el cual los neutrones
liberados en una fisión producen una fisión adicional en por lo menos un
núcleo más. Este núcleo nuevamente produce neutrones y la repetición del
proceso. El proceso puede ser controlado (energía atómica) o incontrolado (las
armas nucleares). Si cada neutrón produce dos más neutrones, entonces el
número de fisiones se dobla cada generación. En ese caso, en 10 generaciones
hay 1024 fisiones y en 80 generaciones cerca de 6 x 10 23 fisiones (un mol).
FISIÓN NUCLEAR CONTROLADA
Para mantener una reacción controlada mantenida, por cada 2 o 3 neutrones
producidos, solamente uno se debe permitir chocar con otro núcleo de uranio.
Si esta relación de transformación es menor de uno entonces la reacción
morirá; si es mayor de uno crecerá incontroladamente (una explosión atómica).
Las reacciones nucleares se controlan por un material absorbente de
neutrones, tal como grafito.
¿POR QUÉ URANIO Y PLUTONIO?
Los científicos sabían que el isótopo más común, uranio 238, no era
conveniente para un arma nuclear. Hay una probabilidad bastante alta de que
un neutrón incidente sea capturado para formar uranio 239 en vez de causar
una fisión. Sin embargo, el uranio 235 tiene una alta probabilidad de fisión.
Del uranio natural, solamente 0,7% es uranio 235. Esto significó que se
necesitaba una gran cantidad de uranio para obtener las cantidades necesarias
del uranio 235. Además, el uranio 235 no se puede separar químicamente del
uranio 238, puesto que los isótopos son químicamente similares. Hubo que
desarrollar métodos alternativos para separar los isótopos. Éste fue otro
problema que los científicos del proyecto Manhattan tuvieron que solucionar
antes de que la bomba pudo construirse. La investigación también había
predicho que el plutonio 239 tendría una alta probabilidad de fisión. Sin
embargo, el plutonio 239 no es un elemento que exista naturalmente y tendría
que ser fabricado. Los reactores en Hanford, Washington fueron construidos
para producir el plutonio.
ENERGÍA OBTENIDA EN CADA FISIÓN
U235 + n -> fission + 2 or 3 n + 200 MeV
165 MeV
~ kinetic energy of fission products
7 MeV
~ gamma rays
6 MeV
~ gamma rays from fission products
6 MeV
~ kinetic energy of the neutrons
7 MeV
~ energy from fission products
9 MeV
~ anti-neutrinos from fission products
Total 200 MeV
1 MeV (million electron volts) = 1.609 x 10 -13 joules
FISIÓN ESPONTANEA
La tasa de fisión espontánea es la probabilidad por segundo que un átomo
dado fisione espontáneamente sin ninguna intervención externa. Si ocurre una
fisión espontánea antes de que la bomba esté completamente lista, podría
detonarla. El plutonio 239 tiene una tasa espontánea muy alta de fisión
comparada al índice espontáneo de la fisión del uranio 235. Los científicos
tuvieron que considerar el índice espontáneo de fisión de cada material al
diseñar las armas nucleares.
LITTLE BOY: A GUN-TYPE BOMB
Esencialmente, el diseño de esta bomba consistió en un cañón que encendió
una masa del uranio 235 en otra masa del uranio 235, creando así una masa
supercrítica. Un requisito crucial era que los pedazos sean reunidos en un
tiempo más corto que el tiempo entre fisiones espontáneas. Una vez que los
dos pedazos de uranio se reúnan, el iniciador introduce una explosión de
neutrones y la reacción en cadena comienza, continuando hasta que la energía
entregada llega a ser tan grande que la bomba simplemente explota. .
TIEMPO DE REACIÓN
El neutrón liberado viaja a las velocidades de cerca de 10 millones de metros
por segundo, o alrededor del 3% la velocidad de la luz. El tiempo
característico para una generación es aproximadamente el tiempo requerido
para atravesar el diámetro de la esfera del material fisionable. Una masa crítica
del uranio tiene un tamaño aproximado de una bola de béisbol (0,1 metros). El
tiempo, T, que el neutrón tomaría para cruzar la esfera es:
T=
0.1 meters/1 x 10 7 meters/second =
1 x 10 -8 seconds
El proceso completo de la explosión de una bomba es cerca de 80 por este
número, o alrededor de un microsegundo. Este tiempo fue concido
informalmente como ' sacudida ' (" tan rápida como la sacudida de la cola de
un cordero ") por los físicos en Los Alamos..
FAT MAN: IMPLOSION-TYPE BOMB
El alto índice espontáneo de fisión del plutonio 239 hizo necesario diseñar un
tipo de bomba diferente. Una bomba del tipo gun no sería suficientemente rápida
para funcionar. Antes de que la bomba pudiera ser ensamblada, algunos
neutrones perdidos habrían sido emitidos, y éstos comenzarían una reacción en
cadena prematura propiciando una gran reducción en la energía producida. Seth
Neddermeyer, científico en Los Alamos, desarrolló la idea de usar cargas
explosivas para comprimir una esfera del plutonio muy rápidamente a una
densidad suficiente para hacerla crítica y producir una explosión nuclear.
SECUENCIA DE LA DETONACIÓN
1. El potente explosivo que rodea el material fisible se enciende.
2. Una onda expansiva de compresión comienza a moverse hacia adentro. La
onda expansiva se mueve más rápidamente que la velocidad del sonido y crea un
aumento grande en la presión. La onda expansiva afecta a todas los puntos en la
superficie de la esfera del material fisible en la base de la bomba en el mismo
instante. Esto comienza el proceso de la compresión.
3. La densidad va aumentando, la masa llega a ser crítica, y después supercrítica
(donde las reacciones en cadena crecen exponencialmente).
4. Ahora el iniciador es activado, produciendo muchos neutrones, para evitar
muchas generaciones iniciales.
5. La reacción en cadena continúa hasta que la energía generada dentro de la
bomba llega a ser tan grande que la presión interna debido a la energía de los
fragmentos de la fisión excede la presión de la implosión debido a la onda
expansiva.
6. Mientras que la bomba se desambla, la energía entregada en el proceso de
fisión se transfiere a los alrededores.