La fisión de un núcleo es la división de un átomo pesado en dos fragmentos de masa aproximadamente igual, acompañada de la liberación de una gran cantidad de energía.
El descubrimiento de la fisión nuclear inició una nueva era: la "era atómica". El potencial de su posible uso y la relación riesgo-beneficio de su uso no solo han generado muchos logros sociológicos, políticos, económicos y científicos, sino también serios problemas. Incluso desde un punto de vista puramente científico, el proceso de fisión nuclear ha creado una gran cantidad de acertijos y complicaciones, y una explicación teórica completa del mismo es una cuestión del futuro.
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Las energías de enlace (por nucleón) difieren para diferentes núcleos. Los más pesados tienen energías de enlace más bajas que los que se encuentran en el centro de la tabla periódica.
Esto significa que los núcleos pesados con un número atómico superior a 100 se benefician al dividirse en dos fragmentos más pequeños, liberando así energía queconvertida en energía cinética de los fragmentos. Este proceso se denomina división del núcleo atómico.
Según la curva de estabilidad, que muestra la dependencia del número de protones del número de neutrones para los nucleidos estables, los núcleos más pesados prefieren más neutrones (en comparación con el número de protones) que los más ligeros. Esto sugiere que, junto con el proceso de división, se emitirán algunos neutrones "de repuesto". Además, también absorberán parte de la energía liberada. El estudio de la fisión nuclear del átomo de uranio mostró que se liberan 3-4 neutrones: 238U → 145La + 90Br + 3n.
El número atómico (y la masa atómica) de un fragmento no es igual a la mitad de la masa atómica del padre. La diferencia entre las masas de los átomos formados como resultado de la división suele ser de alrededor de 50. Sin embargo, la razón de esto aún no se entiende completamente.
Las energías vinculantes de 238U, 145La y 90Br son 1803, 1198 y 763 MeV, respectivamente. Esto significa que como resultado de esta reacción, se libera la energía de fisión del núcleo de uranio, igual a 1198 + 763-1803=158 MeV.
Fisión espontánea
Los procesos de escisión espontánea son conocidos en la naturaleza, pero son muy raros. El tiempo de vida medio de este proceso es de unos 1017 años y, por ejemplo, el tiempo de vida medio de la desintegración alfa del mismo radionúclido es de unos 1011años.
La razón de esto es que para dividirse en dos partes, el kernel debeprimero se deforma (estira) en una forma elipsoidal y luego, antes de la división final en dos fragmentos, forma un "cuello" en el medio.
Barrera potencial
En el estado deformado, dos fuerzas actúan sobre el núcleo. Uno de ellos es el aumento de la energía superficial (la tensión superficial de una gota de líquido explica su forma esférica), y el otro es la repulsión de Coulomb entre los fragmentos de fisión. Juntos producen una barrera potencial.
Como en el caso de la desintegración alfa, para que se produzca la fisión espontánea del núcleo del átomo de uranio, los fragmentos deben superar esta barrera utilizando túneles cuánticos. La barrera es de unos 6 MeV, como en el caso de la desintegración alfa, pero la probabilidad de formación de túneles de una partícula α es mucho mayor que la de un producto de fisión de un átomo mucho más pesado.
División forzada
Mucho más probable es la fisión inducida del núcleo de uranio. En este caso, el núcleo principal se irradia con neutrones. Si el padre lo absorbe, se unen y liberan energía de enlace en forma de energía vibratoria que puede superar los 6 MeV necesarios para superar la barrera de potencial.
Cuando la energía de un neutrón adicional es insuficiente para superar la barrera de potencial, el neutrón incidente debe tener una energía cinética mínima para poder inducir la división de un átomo. En el caso de 238U energía de enlace adicionalf altan neutrones alrededor de 1 MeV. Esto significa que la fisión del núcleo de uranio es inducida únicamente por un neutrón con una energía cinética superior a 1 MeV. Por otro lado, el isótopo 235U tiene un neutrón desapareado. Cuando el núcleo absorbe uno adicional, forma un par con él y, como resultado de este emparejamiento, aparece energía de enlace adicional. Esto es suficiente para liberar la cantidad de energía necesaria para que el núcleo supere la barrera de potencial y la fisión del isótopo se produzca al chocar con cualquier neutrón.
Desintegración beta
A pesar de que la reacción de fisión emite tres o cuatro neutrones, los fragmentos todavía contienen más neutrones que sus isóbaras estables. Esto significa que los fragmentos de fisión son generalmente inestables frente a la desintegración beta.
Por ejemplo, cuando se produce la fisión del uranio 238U, la isobara estable con A=145 es el neodimio 145Nd, lo que significa que el fragmento de lantano 145La se desintegra en tres etapas, emitiendo cada vez un electrón y un antineutrino, hasta que se forma un nucleido estable. La isobara estable con A=90 es el zirconio 90Zr, por lo que el fragmento de división bromo 90Br se descompone en cinco etapas de la cadena de desintegración β.
Estas cadenas de desintegración β liberan energía adicional, casi toda la cual es transportada por electrones y antineutrinos.
Reacciones nucleares: fisión de núcleos de uranio
Radiación directa de un neutrón de un nucleido con demasiadoun gran número de ellos para garantizar la estabilidad del núcleo es poco probable. El punto aquí es que no hay repulsión de Coulomb, por lo que la energía de la superficie tiende a mantener al neutrón unido al padre. Sin embargo, esto a veces sucede. Por ejemplo, el fragmento de fisión 90Br en la primera etapa de la desintegración beta produce criptón-90, que puede estar en un estado excitado con energía suficiente para superar la energía superficial. En este caso, la emisión de neutrones puede ocurrir directamente con la formación de criptón-89. Esta isobara sigue siendo inestable a la desintegración β hasta que cambia a itrio-89 estable, por lo que el criptón-89 se desintegra en tres pasos.
Fisión de uranio: reacción en cadena
Los neutrones emitidos en una reacción de fisión pueden ser absorbidos por otro núcleo principal, que luego sufre una fisión inducida. En el caso del uranio-238, los tres neutrones que se producen salen con una energía inferior a 1 MeV (la energía liberada durante la fisión del núcleo de uranio -158 MeV- se convierte principalmente en energía cinética de los fragmentos de fisión), por lo que no pueden causar más fisión de este nucleido. Sin embargo, con una concentración significativa del isótopo raro 235U, estos neutrones libres pueden ser capturados por núcleos 235U, que de hecho pueden causar fisión, ya que en este caso no existe un umbral de energía por debajo del cual no se induzca la fisión.
Este es el principio de reacción en cadena.
Tipos de reacciones nucleares
Sea k el número de neutrones producidos en una muestra de material fisionable en la etapa n de esta cadena, dividido por el número de neutrones producidos en la etapa n - 1. Este número dependerá de cuántos neutrones se produzcan en etapa n - 1, son absorbidos por el núcleo, que puede sufrir una fisión forzada.
• Si k < es 1, entonces la reacción en cadena simplemente desaparecerá y el proceso se detendrá muy rápidamente. Esto es exactamente lo que sucede en el mineral de uranio natural, en el que la concentración de 235U es tan baja que la probabilidad de absorción de uno de los neutrones por este isótopo es extremadamente despreciable.
• Si k > 1, entonces la reacción en cadena crecerá hasta que se utilice todo el material fisionable (bomba atómica). Esto se logra enriqueciendo el mineral natural para obtener una concentración suficientemente alta de uranio-235. Para una muestra esférica, el valor de k aumenta con el aumento de la probabilidad de absorción de neutrones, que depende del radio de la esfera. Por lo tanto, la masa de U debe exceder cierta masa crítica para que ocurra la fisión de los núcleos de uranio (una reacción en cadena).
• Si k=1, entonces tiene lugar una reacción controlada. Esto se utiliza en los reactores nucleares. El proceso se controla distribuyendo barras de cadmio o boro entre el uranio, que absorben la mayor parte de los neutrones (estos elementos tienen la capacidad de capturar neutrones). La fisión del núcleo de uranio se controla automáticamente moviendo las varillas para que el valor de k permanezca igual a uno.
