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Conceptos básicos de fisión nuclear

mayo 25, 2020
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Tabla de contenido

 

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Se dice que la fisión nuclear se produjo cuando el núcleo de un átomo se divide en varios fragmentos pequeños. En física nuclear, la fisión nuclear se produce como una reacción nuclear o como un proceso de desintegración radiactiva en el que el núcleo de un átomo se divide en núcleos más pequeños y ligeros. El proceso de fisión a menudo produce neutrones y fotones libres (en forma de rayos gamma) y libera una gran cantidad de energía incluso según los estándares energéticos de la desintegración radiactiva.

La fisión nuclear de elementos pesados ​​fue descubierta el 17 de diciembre de 1938 por dos científicos alemanes Otto Hahn y Fritz Strassmann. Bombardearon uranio (Z = 92) con neutrones y descubrieron que el bario (Z = 56) y el criptón (Z = 36) fueron los productos de su experimento. Aquí lo que sucedió es que el núcleo de uranio se activó por bombardeo de neutrones y se dividió en dos núcleos más pequeños. Los físicos se interesan en un intento de comprender este proceso. Junto con estos dos núcleos más pequeños, también se liberaron tres neutrones libres y rayos gamma. Las mediciones mostraron que se liberan alrededor de 200MeV de energía en cada evento de fisión.

La fisión nuclear también puede ocurrir sin el bombardeo de partículas externas, por ejemplo, neutrones y, en este caso, el núcleo principal se desintegra (desintegración radiactiva) y este tipo de fisión se llama fisión espontánea y ocurre en pocos isótopos pesados.

Ahora, cuando una partícula incide en un núcleo, suceden varias cosas. En primer lugar, las partículas pueden dispersarse elásticamente o inelásticamente, lo que deja el núcleo en el estado excitado, que luego puede descomponerse por los fotones u otras partículas. Otra posibilidad es que la partícula que se hizo incidente en el núcleo pueda ser absorbida por el núcleo y se pueda emitir otra partícula o partículas. Entonces, esta fisión nuclear ocurre como una reacción nuclear que es un proceso impulsado por bombardeos.

Aquí, en este tema, aprenderemos sobre la fisión nuclear como un proceso impulsado por bombardeos donde partículas como neutrones son incidentes en núcleos pesados. Ahora escribiré sobre la fisión del átomo de uranio por neutrones lentos o de baja energía.

La fisión de $ {} ^ {235} U $ por electrones lentos o de baja energía puede representarse por la secuencia de eventos

$ {}0 ^ 1n + {}{92} ^ {235} U a {} _ {92} ^ {236} {U ^ *} a X + Y + neutrones $

donde, $ {} _ {92} ^ {236} {U ^ *} $ es un estado intermedio creado durante la reacción y dura solo alrededor de $ 10 ^ {- 12} s $ antes de dividirse en los núcleos X e Y que se conocen como fragmentos de fisión. Entonces, aquí el núcleo absorbe el neutrón, formando un isótopo altamente inestable que se rompe casi instantáneamente. Hay muchas combinaciones de X e Y que satisfacen los requisitos de conservación de energía y carga. La figura a continuación muestra una de las formas en que el uranio-235 puede dividirse en dos núcleos más ligeros.

 


La figura anterior muestra la fisión del núcleo U-235 cuando absorbe un neutrón de movimiento lento y produce fragmentos de fisión, bario, criptón y los neutrones liberados tienen una gran cantidad de energía cinética después del evento de fisión. Entonces, la ecuación típica de este proceso de fisión se ve como

$ {}0 ^ 1n + {}{92} ^ {235} U a {}{92} ^ {236} {U ^ *} a {}{56} ^ {141} Ba + {} _ {36} ^ {92} Kr + 3 {} _ 0 ^ 1n $

El proceso que experimenta un núcleo mientras la reacción de fisión es

  1. El núcleo de uranio $ {} ^ {235} U $ un neutrón térmico de movimiento lento y baja energía.
  2. Cuando el núcleo captura neutrones resulta en la formación de un isótopo inestable que es $ {} _ {92} ^ {236} {U ^ *} $, y el exceso de energía de este núcleo hace que sufra oscilaciones violentas.
  3. El núcleo $ {} _ {92} ^ {236} {U ^ *} $ se alarga mucho, y la fuerza de repulsión entre protones en las dos mitades del núcleo con forma de mancuerna tiende a aumentar la distorsión.
  4. El núcleo se divide en dos fragmentos, emitiendo varios neutrones en el proceso.

La energía también se libera en este proceso de fisión y también se puede estimar. Ahora, una reacción de fisión típica libera 240 MeV de energía como se indicó anteriormente. Para estimar qué tan grande es esta cantidad, compárela con 30 eV de energía liberada por la explosión de una molécula de TNT. Ahora la masa combinada de los fragmentos de fisión y los neutrones que se producen en la fisión es menor que la masa del núcleo original. Esta pequeña cantidad de masa se convierte en la gran cantidad de energía liberada en el proceso de fisión y está de acuerdo con Ecuación de energía de masa de Einstein $ E = mc ^ {2} $. La energía de la fisión está principalmente en la forma de la energía cinética de los fragmentos de fisión y de los neutrones que se emiten. Se libera una pequeña cantidad de energía en forma de radiaciones gamma

Reacción en cadena nuclear

Una reacción en cadena nuclear ocurre cuando una sola reacción nuclear causa un promedio de una o más reacciones nucleares posteriores, lo que conduce a una serie de estas reacciones de propagación automática. Ahora, en el ejemplo de $ {} ^ {235} U $ que sufre fisión al absorber neutrones de movimiento lento, se emiten tres neutrones. Estos neutrones pueden causar que otros núcleos sufran fisión con la posibilidad de una reacción en cadena como se muestra a continuación en la figura.

 

De esta figura podemos ver que una reacción de fisión típica libera alrededor de tres neutrones, lo que a su vez causa fisión en otros núcleos y da como resultado una mayor producción de más fragmentos de fisión y más neutrones capaces de desencadenar la fisión nuclear en otros núcleos, etc. Por lo tanto, la reacción en cadena completa se desarrolla a una velocidad exponencial liberando una enorme cantidad de energía o una explosión. Sin embargo, esta reacción en cadena se puede controlar en reactores nucleares y, de hecho, esta reacción en cadena controlada en reactores nucleares nos proporciona electricidad y es muy útil.

Reactores Nucleares

Ahora que sabemos sobre la fisión nuclear y la reacción en cadena, voy a hablar sobre los reactores nucleares.

Un reactor nuclear es un sistema diseñado para mantener una reacción en cadena autosostenida y este proceso fue descubierto por primera vez por Fermi en la Universidad de Chicago, con uranio natural como combustible. Normalmente, una reacción en cadena no puede tener lugar en uranio natural puro, ya que es principalmente U-238. Los neutrones liberados por U-235 son neutrones rápidos que son capturados por los núcleos U-238 y no hacen fisión. De hecho, es más probable que los neutrones lentos sean capturados por el U-235 y luego por el U-238. Entonces tenemos que reducir la velocidad de los neutrones para que la fisión tenga lugar en otro átomo de U-235. Entonces Enrico Fermi usó grafito para desacelerar los neutrones en el primer reactor nuclear y logró la primera liberación controlada de energía nuclear autosostenida.

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