Fisión Nuclear. Los Fragmentos de Fisión - RA-4

Fisión Nuclear. Los Fragmentos de Fisión
José A. Orso
Operador y Oficial de Radioprotección del Reactor Nuclear RA-4
Breve Introducción histórica
En 1934 Enrico Fermi y su equipo de investigación irradiaron con neutrones un blanco compuesto
por 238U1 que, de acuerdo con lo que se conocía hasta el momento, se esperaba obtener un núcleo con un
neutrón más que el del núcleo blanco. A su vez se esperaba que el núcleo irradiado emitiera un electrón
transformándose en el elemento transuránido Neptunio de número atómico 93. Los resultados de las
investigaciones arrojaron además que se obtenía algo más. En 1938 Hahn y Strassmann, debido a los
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resultados obtenidos de las mediciones realizadas por análisis químico a las muestras de U irradiadas
con neutrones, sugieren la posible presencia de los elementos químicos bario y kriptón. Frisch y Meitner
confirmaron los resultados obtenidos por Hahn y Strassmann y sugirieron la posibilidad de que los núcleos
pesados se dividan en fragmentos al ser irradiados con neutrones. Es decir que se produzca fisión nuclear.
En 1939 Fermi sugiere la posibilidad de producir una reacción en cadena autosostenida, es decir
que los neutrones emitidos como consecuencia de las fisiones, produzcan mas fisiones.
En diciembre 1942 Fermi construye el primer reactor nuclear, logrando por primera vez en la historia
una reacción de fisión autosostenida. [1]
Introducción
En el presente trabajo se analizará el proceso de fisión nuclear ocurrido en lo núcleos de átomos
pesados, como por ejemplo el Uranio-235 (U235) y el Uranio-238 (U238), como consecuencia de la absorción
o colisión de un neutrón con estos núcleos. También se expondrá las consecuencias más relevantes de los
productos obtenidos a partir de la fisión nuclear, denominados fragmentos de fisión o productos de fisión,
que ocurren dentro del núcleo del reactor.
Modelo de la gota líquida
En este modelo se considera que un núcleo atómico se parece a una gota liquida, en el sentido de
que cada una de las partículas constituyentes del núcleo atómico, interaccionan por igual con sus vecinas
mas cercanas. Por lo tanto la energía interna del núcleo es proporcional al número de nucleones. Como
además el volumen también es proporcional al número de nucleones, entonces la energía interna del núcleo
debería ser proporcional al volumen nuclear. Debido a que, tanto en un núcleo como en una gota liquida, las
partículas que se encuentran en la superficie disponen de menos partículas vecinas que en su interior, la
energía superficial de la gota es inferior a la energía volumétrica. Esto trae como consecuencia que en
ausencia de fuerzas externas, la gota conserve su forma esférica.
Figura 1: Modelo de la gota liquida.
Supongamos que se le aplica una fuerza a una gota de un líquido, de modo tal que se pone a vibrar.
Figura 1. Al principio la gota es esférica (Etapa 1), luego se deforma hasta alcanzar una forma elíptica
(Etapa 2). Si bien el volumen permanece constante, la superficie ha aumentado. Si la energía del volumen
es superior a la energía superficial, la gota vuelve a la forma original. Si la fuerza externa aplicada a la gota
en suficientemente grande, la energía superficial supera a la energía volumétrica, que es la que mantiene la
forma de la gota liquida, y como consecuencia esta tenderá a dividirse en dos (Etapa 3, 4 y 5).
En el proceso de fisión nuclear ocurre algo parecido. Un núcleo absorbe un neutrón y se forma lo
que se denomina un núcleo compuesto excitado. Como consecuencia del exceso de energía que introdujo
el neutrón, el núcleo experimenta oscilaciones. Si el exceso de energía es suficiente para pasar a la etapa
3, el núcleo se dividirá en dos partes llamadas fragmentos de fisión. En cambio, si la energía de excitación
no es suficiente para pasar a la etapa 3, el núcleo retomara su forma original y el exceso de energía lo
eliminará por medio de la emisión de un fotón gamma de origen nuclear. La minima energía que debe
poseer el núcleo compuesto para que se produzca la división se denomina “energía critica de fisión”. [2]
1
Elemento uranio de número de nucleones 238
La fisión nuclear
El proceso de fisión consiste en la ruptura de un núcleo de un material físil que da como resultado la
emisión de neutrones, además de los fragmentos resultantes de la fisión. La fisión puede ser espontánea o
inducida a través de la absorción de un neutrón por parte del núcleo fisible. Esta última es la producida en
un reactor nuclear. Los neutrones que se liberan en el proceso de fisión se pueden clasificar en neutrones
instantáneos y neutrones retardados. Los neutrones instantáneos son aproximadamente el 99% del total y
se liberan 10-14 segundos posteriores a la fisión. Los neutrones retardados, que son el 1% restante, se
liberan desde unos pocos segundos hasta horas posteriores a la fisión y son producidos por algunos de los
fragmentos de fisión. A pesar de ser muy pocos, comparados con los neutrones instantáneos, los neutrones
retardados son de una gran importancia debido a que son los responsables del control de los reactores
nucleares.
En la Figura 2 se representa un esquema del mecanismo de emisión de neutrones retardados. El
bromo-87 (Br87) es un fragmento de fisión que se transforma en Kriptón-87 (Kr87) con la consecuente
emisión de una partícula beta negativa (electrón de origen nuclear). El Kriptón-87 producido por
desintegración del bromo-87 tiene suficiente exceso de energía como para permitir la expulsión de un
neutrón débilmente ligado al núcleo (neutrón retardado). Es importante aclarar que existen 6 grupos de
2
precursores que producen núcleos que emiten neutrones retardados. En el mecanismo de la figura 2 el
precurso sería el bromo-87.
Figura 2: Mecanismo de emisión de neutrones retardados
La liberación de neutrones en el proceso de fisión, es acompañada por la emisión de radiación
gamma. De manera análoga esta radiación gamma emitida, que es radiación electromagnética de alta
energía, se puede clasificar en instantánea y retardada, siendo la primera producida en aproximadamente
0,1 microsegundo posteriores a la fisión y la segunda es emitida por los fragmentos de fisión en un largo
intervalo de tiempo posterior a la fisión del núcleo [2].
Productos de fisión
Un núcleo compuesto obtenido a partir del U235 puede partirse o fisionarse de 40 formas distintas,
obteniéndose como resultado 80 productos de fisión primarios. Debido a que estos fragmentos de fisión son
en su mayoría radiactivos, es decir se desintegran transformándose en otros elementos que a su vez son
también radiactivos, cada uno de ellos es en promedio precursor de otras dos especies radiactivas. Esto da
como resultado que luego de un corto intervalo de tiempo convivan más de 200 especies radiactivas. Estos
fragmentos de fisión cumplen un rol fundamental en la operación y control de un reactor nuclear.
Efectos de los fragmentos de fisión en el funcionamiento del reactor nuclear
Los fragmentos de fisión se van acumulando en el núcleo de un reactor en funcionamiento. Algunos
de estos fragmentos son absorbentes neutrónicos. Esto quiere decir que muchos de los neutrones que se
están produciendo en el reactor van a ser absorbido por estos fragmentos sacando estos neutrones fuera
del sistema. Esto trae como consecuencia un desbalance en la economía neutrónica y por lo tanto una
disminución de la producción de neutrones. Si no se compensa esta disminución de la producción de
neutrones, la potencia del reactor disminuirá hasta hacerse cero quedando el reactor apagado.
En la Ecuación3, que se muestra a continuación, se puede observar que para que el reactor esté
estable, es decir a potencia constante, la Variación del número de neutrones debe ser igual a cero. Si el
término de la ecuación Absorción se hace más grande que el término Producción, porque se absorben
más neutrones debido a los fragmentos de fisión, entonces se debe aumentar el término Producción para
que compense el cambio y se mantenga el reactor estable, es decir a potencia constante.
Varianción del número de neutrones  Pr oducción  Absorción  Escape (Ecuación)
2
3
Se denominan precursores a los núcleos que dan origen un neutrón retardado.
Los Términos Producción, Absorción y Escape se refieren a producción, absorción y escape de neutrones.
En la práctica sucede que si aumenta la concentración de los fragmentos de fisión que son
absorbentes de neutrones, entonces se compensa esa perturbación, retirando una barra de control, que
también es absorbente neutrónico. Figura 3.
Figura 3: Aumento en la concentración de los fragmentos de fisión en función del tiempo de
operación de un reactor
En la figura 3 se muestra un esquema del núcleo de un reactor y de como aumenta la concentración
de los fragmentos de fisión, absorbentes de neutrones (puntos rojos), a medida que transcurre el tiempo. Se
retira la barra de control, alejándola del núcleo, a medida que aumenta la concentración de estos
absorbentes neutrónicos. Esto se realiza con el fin de compensar las pérdidas de los neutrones. En t1 el
reactor está en la condición de arranque con lo cual la concentración de los fragmentos absorbentes de
neutrones es cero. A medida que transcurre el tiempo va aumentando la concentración de estos fragmentos
con lo cual se debe compensar esta pérdida retirando parcialmente una barra de control. Este son los casos
t1, t2 y t3.
Conclusiones
Es importante el estudio de los fragmentos de fisión debido a su importancia dentro del núcleo del
reactor. Por un lado, tenemos que los fragmentos de fisión son productores de elementos que producen
neutrones, que se emiten un tiempo posterior al proceso de fisión, y que permiten el control de los reactores
nucleares. Es importante aclarar que sin estos neutrones retardados resultaría imposible controlar un
reactor nuclear. Por otro lado, estos fragmentos producen elementos que son absorbentes de neutrones y
son nocivos para el funcionamiento del reactor, dado que sacan de circulación neutrones que deberían ser
absorbidos por los núcleos combustibles para producir a su vez mas fisiones y colaboren con la reacción en
cadena.
Referencias
1- O. Pliego. Los Radioisótopos y sus Aplicaciones.
2- Glasstone S. Sesonske A. Ingeniería de Reactores Nucleares. Reverté. 1968.