Fisión Nuclear
La fisión nuclear es una reacción en la que un núcleo pesado se divide en dos o más núcleos ligeros al ser bombardeado con neutrones. En este proceso se liberan más neutrones y una gran cantidad de energía.
Reacción de Fisión del Uranio-235
La obtención de energía en una central nuclear se basa en la fisión del uranio-235 (235U). Este isótopo, al ser bombardeado con neutrones, se fragmenta y da lugar a núcleos más pequeños, liberando a su vez más neutrones. La reacción se puede representar de la siguiente manera:
23592U + 10n → 14156Ba + 9236Kr + 3 10n
Aunque el 235U es energéticamente menos estable que sus productos de fisión, no se fisiona espontáneamente. Se requiere una energía de activación, que se obtiene de la captura de un neutrón por el núcleo.
Tipos de Reacciones en Cadena
Los neutrones liberados por la fisión de un núcleo pueden fisionar otros núcleos, generando una reacción en cadena. Esta reacción puede ser:
- Controlada: Si el número de neutrones liberados es muy alto, se introduce un material moderador (como el grafito) que absorbe el exceso de neutrones y evita que la reacción prosiga de forma explosiva. La primera reacción controlada fue lograda por Enrico Fermi en 1942. Este tipo de reacción se utiliza en centrales nucleares y en algunos submarinos.
- No controlada: En este caso, al no haber ningún elemento que absorba el exceso de neutrones, la reacción tiene lugar de forma explosiva. Esto ocurre en las bombas atómicas.
Energía de Enlace y Defecto de Masa
La energía que mantiene unidas las partículas del núcleo se denomina energía de enlace. Esta energía es equivalente a la diferencia entre la suma de las masas de las partículas individuales del núcleo (protones y neutrones) y la masa real del núcleo. Esta diferencia se conoce como defecto de masa (Δm), y se calcula mediante la siguiente ecuación:
Δm = [Z * mp + (A – Z) * mn] – MN
Donde:
- Z: Número atómico (número de protones)
- A: Número másico (número de protones + neutrones)
- mp: Masa del protón
- mn: Masa del neutrón
- MN: Masa del núcleo
La energía asociada a este defecto de masa se calcula mediante la ecuación de Einstein (E = mc2). En la fisión, la masa de los fragmentos es ligeramente inferior a la del núcleo inicial, lo que resulta en la liberación de energía.
Aplicaciones y Riesgos de la Fisión Nuclear
La fisión nuclear, debido a su alto rendimiento energético, es una de las principales fuentes de energía en la actualidad. Sin embargo, presenta riesgos significativos:
- Contaminación radiactiva: Los accidentes nucleares (como el de Chernóbil en 1986) pueden tener consecuencias catastróficas.
- Gestión de residuos: La eliminación segura y rápida de los residuos nucleares es un desafío técnico y ambiental importante.
Fusión Nuclear
La fusión nuclear es una reacción en la que dos núcleos ligeros se unen para formar un núcleo más pesado. En este proceso se libera una gran cantidad de energía.
Reacción de Fusión Deuterio-Tritio
Un ejemplo común de reacción de fusión es la unión de deuterio (2H) y tritio (3H), isótopos del hidrógeno, para formar helio-4 (4He):
21H + 31H → 42He + 10n
Energía de Activación y Reacciones Termonucleares
Para iniciar la fusión nuclear, se necesita una energía de activación muy alta, proporcionada por temperaturas superiores a 106 K. Debido a estas altas temperaturas, las reacciones de fusión también se denominan reacciones termonucleares. Estas reacciones ocurren de forma natural en el Sol y otras estrellas.
Tipos de Fusión Nuclear
- Controlada: Aún no se ha logrado de forma rentable, debido a la dificultad técnica de confinar los reactivos, que a temperaturas tan elevadas se encuentran en estado de plasma. La fusión controlada presenta ventajas significativas sobre la fisión, como una mayor producción de energía y la ausencia de residuos contaminantes. Sin embargo, la tecnología para lograr una fusión controlada y sostenida aún está en desarrollo.
- No controlada: Se produce en el Sol, en las estrellas y en la bomba de hidrógeno (bomba H). Este tipo de fusión se utilizó en 1945, cuando Estados Unidos lanzó bombas de hidrógeno sobre Hiroshima y Nagasaki, causando un gran número de víctimas y efectos radiactivos duraderos.
Energía de Enlace y Defecto de Masa en la Fusión
Al igual que en la fisión, la energía de enlace en la fusión se relaciona con el defecto de masa (Δm). La ecuación para calcular el defecto de masa es la misma que en la fisión:
Δm = [Z * mp + (A – Z) * mn] – MN
La energía liberada en la fusión también se calcula mediante la ecuación de Einstein (E = mc2). En la fusión, la masa del núcleo resultante es ligeramente inferior a la suma de las masas de los núcleos iniciales, liberándose energía.
E = Δm * c2