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martes, 26 de junio de 2012

Fisión nuclear: Uranio 235


¿Qué es la fisión nuclear y cuáles son sus productos?

La fisión nuclear es la división del núcleo atómico en dos núcleos más ligeros con la consecuente liberación de energía. Eventualmente se producen algunos neutrones y radiación electromagnética en el rango de energías de los rayos gamma.

¿Cuánta energía se produce y en qué forma se disipa?

La energía producida depende mucho de la reaccion concreta pero tipicamente podemos decir que es del orden de 200 MeV (doscientos millones de eV o en unidades más asequibles 3.2 10-11 Julios). 
Esta  puede parecer una cantidad pequeña, pero no lo es tanto si tenemos en cuenta que en un mol de materia (238 gr en el Uranio natural) hay 6.022 1023 nucleos. Esa energía se reparte entre la energía cinética de los fragmentos emitidos y la  energía interna de excitacion que suele liberarse rápidamente en la forma de radiación gamma. 
Para tener una idea más precisa de las energías puestas en juego, tomemos como dato de referencia que en la fisión de cada núcleos de U-235 se liberan unos 200 MeV de energía. 
El U-235 se encuentra de forma natural en un mineral llamado Pechblenda que contiene un gramo de Uranio por cada kilogramo de mineral
El Uranio natural es una mezcla de distintos isotopos (núcleos atómicos con la misma carga Z pero distinto número de neutrones) siendo el mayoritario el U-238 (ya que es el isotopo que tiene la vida media más larga).  El U-235 esta presente con un porcentaje del 0,7 %. 
Por tanto, un kilo de Pechblenda contiene un gramo de Uranio lo que representa 2.5 1021 nucleos de Uranio de los que 1.75 1019  son de U-235 que liberaran 5.6 108 Julios.

Si el núcleo esta formado por protones y neutrones, ¿por qué solo se emiten neutrones?

En la fisión se producen neutrones aparte de los dos fragmentos ya que debido al balance de la llamadaenergía de simetría (un efecto puramente cuantico, asociado al principio de exclusion!) y la repulsión Coulombiana los nucleos atomicos ligeros tienen tendencia a tener el mismo número de protones que de neutrones (linea de estabilidad). Ese balance se rompe en favor de la repulsión Coulombiana en los núcleos pesados haciendo que estos tengas mas neutrones que protones (por ejemplo, el isótopo estable de Calcio tiene 20 protones y 20 neutrones, mientras que el de Uranio tiene 92 protones y 146 neutrones.. En la fisión, donde un nucleo pesado se rompe en dos ligeros hay por tanto un exceso de neutrones en los fragmentos ligeros que se elimina emitiendo los neutrones.

Radiactividad producida por los productos de la fisión

En la fisión se producen, en un primer momento, neutrones y radiacion gamma. Los nucleos hijos resultantes no tienen por que se los más estables y por tanto podrán desintegrarse emitiendo electrones o positrones mediante la desintegración beta (tambien puede darse captura electronica, un tipo distinto de desintegración beta)

¿Por qué se fisiona el Uranio y no otros núcleos atómicos?

No todos los nucleos atomicos se fisionan. Solamente lo hacen de forma espontanea los nucleos pesados con valores de Z muy grandes (Uranio, Torio, etc) y de echo es la tendencia a fisionarse de los nucleos pesados lo que establece el mismo limite de existencia de los elementos quimicos en la naturaleza. No existen en la naturaleza nucleos con Z mayor que 92 (Uranio) y los elementos quimicos con Z mayores (por ejemplo el plutonio) se tienen que fabricar artificialmente ya que su vida media de fision es pequeña. Cuanto mayor es el valor de Z mas facil le resulta a los nucleos fisionarse y hoy en día establecer que nucleos atomicos con Z muy grandes pueden crearse en el laboratorio es objeto de intensa investigación tanto experimental como teorica.
Evolucion de la forma nuclear desde el estado fundamental (metaestable) hasta la fision para el nucleo de 235Pa.
En el estado fundamental, el nucleo tiene una deformación prolada (con forma de balon de rugby) que se va alargando y pasando por distintas configuraciones hasta que se desarrolla un "cuello" que es el precursor de la separacion de los fragmentos. Cuando los fragmentos se estan separando, uno de ellos suele adoptar formas muy alargadas. Este fragmento se vuelve casi esférico una vez la fision ha tenido lugar y esta lejos del influjo de la interaccion nuclear del otro fragmento. Esta evolución de formas corresponde a un calculo realista realizado por la Dra. Sara Perez Martin como parte de su tesis doctoral ( (c) Sara Perez Martin, 2007).
 

Fisión espontánea e inducida

Los nucleos pueden fisionarse espontaneamente o de forma inducida. Cuando se fisionan espontaneamente lo hacen porque la reacción es favorable energéticamente. Sin embargo, la reaccion no es instantanea ya que para pasar del estado inicial al final es necesario pasar por unos estados intermedios que no son favorables energeticamente. El nucleo se desintegra gracias a un efecto cuantico llamado “efecto tunel”. La tasa de desintegracion (reflejada en la vida media) depende de la barrera atravesada por “efecto tunel” lo que explica la variabilidad de vidas medias de fision espontanea conocidas experimentalmente. Por otro lado, los núcleos pueden fisionarse de forma inducida, normalmente mediante la absorcion de un neutron. Los protones pueden tambien causar fision inducida pero para ello tienen que superar la barrera de repulsion coulombiana creada por el propio nucleo.

Reacciones en cadena

En las reacciones en cadena un núcleo se fisiona bien espontaneamente o bien mediante fision inducida  emitiendo en el proceso algunos neutrones, cada uno de estos neutrones (digamos dos para fijar ideas) al chocar con otros nucleos inducen su fisión produciendose cuatro neutrones (dos por cada fision) que inducen a su vez la fision de otros cuatro nucleos, que generan ocho neutrones, etc
La velocidad (y viabilidad) del proceso va a depender de lo facil que resulte para un neutron inducir la fision (fisicamente esa facilidad va asociada a la sección eficaz de fision inducida) y tambien de la densidad de nucleos. Este ultimo parametro tiene en cuenta que si la densidad es baja a los neutrones les resulta mas dificil encontrar otros nucleos en los que inducir la fision.
La reaccion en cadena es el mecanismo que esta detras de las bombas atomicas y de los reactores nucleares. La diferencia entre un caso y otro es la disponibilidad de neutrones: en un reactor nuclear la velocidad de la reaccion en cadena se controla mediante la adicion de un “moderado” que es un material que abserve neutrones y por tanto su introduccion en el material fisionable reduce la densidad de neutrones que inducen la fision, frenando la velocidad de la reaccion en cadena.

 Una curiosidad: el reactor nuclear natural de Oklo

A primera vista uno podría pensar que dada la complejidad tecnológica de los reactores nucleares estos solo pueden ser resultado de la mano del hombre. Sin embargo, hay evidencias muy sólidas que apuntan a la posible existencia de reactores nucleares naturales en el pasado. Es el caso del reactor nuclear de Oklo. En la región de Oklo, perteneciente a  Gabón, se descubrió en 1956 la existencia de Uranio natural. Durante cuarenta años Francia extrajo el mineral de la mina para alimentar su industria nuclear.
En unas pruebas rutinarias llevadas a cabo en una planta de enriquecimiento de Uranio francesa se descubrió en 1972 que la concentración de 235U era de solo el 0.717 % en las muestras provenientes de Oklo, cuando lo normal es que la concentración sea del 0.720 %. Esa pequeña discrepancia del 0.5 % llamo la atención del Commissariat à l'énergie atomique (CEA) ya que el 235U que faltaba podría estar usándose para la fabricación de armas nucleares. Un análisis detallado en la mina encontró vetas de Uranio natural con concentraciones de 235U tan bajas como del 0.440 %. Ese descubrimiento junto con análisis de otros isótopos (de Nd y Ru) llevó a la conclusión de que hace 2000 millones de años (Precámbrico) tuvo lugar  una reacción nuclear en cadena auto-sostenida (reactor nuclear) durante unos centenares de miles de años. En aquellos tiempos, la concentración de 235U era del 3%, similar a la encontrada en algunos reactores nucleares actuales y el proceso de reacción en cadena estaba catalizado por aguas subterráneas que actuaban como moderadores de neutrones (para inducir mejor la fisión del 235U los neutrones deben ir muy despacio). Cuando la fisión del 235U se aceleraba, calentaba el agua que se evaporaba deteniendo el reactor.
El proceso se volvía a iniciar cuando la temperatura bajaba y el agua subterránea podía volver a penetrar  en forma liquida en la veta. El ciclo duraba unas tres horas, con un intervalo de funcionamiento de 30 minutos y 2 h 30 min de enfriamiento. Se estima que el reactor produjo 15000 Megavatios-año con una potencia nominal de 100 Kw (¡suficiente para medio centenar de aires acondicionados!).
Meshik, A. P. (November 2005). "The Workings of an Ancient Nuclear Reactor"Scientific American.

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