LA ENERGÍA DEL ÁTOMO, la fisión nuclear

LA FISIÓN O DESINTEGRACIÓN NUCLEAR - LA ENERGÍA LIBERADA POR EL ÁTOMO

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DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE LIBERACIÓN DE ENERGÍA POR UN ÁTOMO:
La liberación de la energía nuclear:
En un trozo de uranio 235, un neutrón rompe Un núcleo y expulsa, por ejemplo, dos neutrones. Estos, al romper dos núcleos, producen en la segunda generación cuatro neutrones, los que a su vez liberan ocho neutrones en la tercera generación tras desintegrar cuatro núcleos. La cuarta generación origina dieciséis, la décima mil veinticuatro, la vigésima más de un millón, la trigésima mil millones.

Así, cual un alud, el número de los proyectiles crece en progresión geométrica. Como una generación de neutrones sólo dura un pequeñísimo intervalo de tiempo —una fracción infinitesimal de un segundo— todos los núcleos (2,5 x 1024) presentes en un kilogramo de uranio estarían casi instantáneamente desintegrados.

La rapidez con que se establece y se propaga la reacción en cadena dilataría y haría explotar la masa con extrema violencia antes que todos los núcleos hubiesen podido ser fragmentados. Si se admite que sólo el 10% de los átomos participa en la reacción, la enorme cantidad de energía liberada equivale a la producida por la explosión de 2000 toneladas de trinitrotolueno.

En la foto de arriba se encuentran compartiendo una información física Albert Einstein y Leo Szilard.
El doctor Leo Szilard, fue a quien se le ocurrió mientras esperaba el cambio de un semáforo en la intersección de Southampton Row en Londres, la ideas de producir una reacción nuclear controlada, bombardeando núcleos con neutrones. Por puro juego, y no por ningún impulso agresivo, el físico bajito y gordo, húngaro de nacimiento, visualizó una reacción atómica en cadena mientras deambulada por la ciudad en aquel dorado septiembre de 1933, dedicado a sus pasatiempos favoritos: pensar y pasear.

En forma de calor, mil novecientos millones de grandes calorías estarían disponibles, constituyendo el centro de la volatilización de toda materia presente. En una fracción infinitesimal de segundo, la temperatura se elevaría a centenares de miles de grados en el lugar de la explosión, engendrando un espantoso vendaval cuyos efectos destructores —merced a la propagación de la onda de compresión— semejarían a la devastadora barrida de una gigantesca marca.

En vísperas de la Segunda Guerra Mundial, todas estas posibilidades no pasaban de ser meras previsiones teóricas, a las cuales, sin embargo, el comienzo del conflicto bélico iba a conferir excepcionales alcances. Hacia fines de 1940, cuando el secreto militar comenzó a volver impenetrable el velo que cubría las investigaciones sobre la energía nuclear, la utilización de la misma para producir una bomba parecía todavía un objetivo muy lejano e incluso utópico. Sin duda se sabía que el uranio 235 era particularmente sensible a la “fisión” y que ofrecía una sección eficaz mayor a los neutrones lentos que a los rápidos; se habían desarrollado métodos para producir neutrones lentos; se habían elaborado procedimientos para separar el uranio 235 de su isótopo corriente; se había logrado aislar dos elementos transuránicos, el neptunio y el plutonio, y se reconocía que este último era también “fisionable” en circunstancias semejantes a las del uranio 235.

Además, se habla adquirido la certeza de que en la “fisión”, al menos un neutrón rápido —y en término medio dos o tres— era emitido por el núcleo. Sin embargo, a pesar del conjunto de tales progresos, todavía nadie había logrado producir una reacción autosustentada. Algunos investigadores incluso se preguntaban si la naturaleza acepta someterse a las exigencias de los teóricos. Tal vez la reacción en cadena era, en general, irrealizable. Pero las dudas terminaron por disiparse definitivamente el 2 de diciembre de 1942: ENRICO FERMI había realizado en Chicago, por primera vez, una reacción nuclear autosostenida.

El dispositivo construido en Chicago consistía en una pila de ladrillos de grafito puro que incluía trozos de uranio, separados por distancias regulares conforme a un esquema geométrico. El grafito servía de sustancia moderadora destinada a frenar mediante choques elásticos los neutrones que salen dotados de elevadas velocidades de la ruptura nuclear del uranio 235. Algunos de los neutrones penetran en el isótopo pesado U-238, otros vuelven a ser capturados por el isótopo liviano U-235, puesto que ambos están presentes en los trozos de metal de la pila. Los proyectiles que golpean el U-238 provocan su transformación, que termina por dar origen al plutonio, mientras neutrones capturados por núcleos de U-235 producen la “fisión” de éstos, expulsando neutrones que siguen provocando nuevas rupturas.

Así, la pila produce a la vez materia “fisionahle” (plutonio) y libera energía al desintegrar núcleos. Agreguemos que para el arranque no se necesita detonador ni ningún otro dispositivo especial; los neutrones de origen cósmico existentes en la atmósfera, o neutrones errantes que provienen de la explosión espontánea de un átomo de uranio, son suficientes para iniciar la reacción. Una condición indispensable para el funcionamiento de la pila es su volumen, que debe superar cierto tamaño crítico. De lo contrario el número de neutrones que escapan por la superficie de la pila no permite que se establezca la cadena de las reacciones. Para el autosostenímiento de la cadena es menester, además, que cada neutrón incidente produzca al menos un nuevo neutrón apto para determinar a su vez la ruptura de un núcleo, siendo en este caso el “factor de multiplicación” igual a la unidad.

 

La cadena se extingue si dicho factor resulta inferior a uno; en cambio, si es considerablemente superior, la liberación continua y lenta de la energía se transforma en un proceso explosivo, convirtiendo a la pila en una bomba. Tan peligrosa proliferación de neutrones es contrarrestada introduciendo en la masa de grafito láminas de materia absorbente (cadmio) que permiten mantener constante la velocidad de la reacción y “controlar” el nivel energético de la pila mediante un dispositivo automático. Tales fueron, a grandes rasgos, las fundamentales características de la pila de FERMI, arquetipo de todos los reactores.

Al principio la pila de FERMI engendró, en forma de calor, una potencia de 0,5 vatio; poco después aumentó su nivel de energía hasta llegar a 200 vatios. Con tal reducido poder, una pila debería funcionar varios miles de años para producir la cantidad de plutonio requerida en la fabricación de una sola bomba. Mas una conquista no puede medirse en vatios. La posibilidad de liberar energía nuclear en escala macroscópica estaba magníficamente demostrada. Si bien la distancia que separa la pila experimental de Chicago de la bomba experimental de Alamogordo era muy superior a la existente entre la rudimentaria máquina de vapor de NEWCOMEN y la locomotora de STEPHENSON, el largo camino fue recorrido en el breve intervalo de treinta meses gracias al formidable potencial tecnológico de los Estados Unidos, y al esfuerzo de un verdadero ejército de científicos, técnicos y trabajadores. El 6 de agosto, la pavorosa explosión que arrasó la ciudad de Hiroshima anunció al mundo que el hombre disponía de nuevas y tremendas fuerzas aprisionadas desde eternidades en las entrañas de la materia.

“En el interior de una bomba de fisión —escribe uno de los principales constructores de la bomba, ROBERT OPPENHEIMER (1904-1967)—, se materializa un lugar con el cual ningún otro

El factor de multiplicación es el cociente del número de los nuevos neutrones producidos y el número inicial de los neutrones primitivos. En la pila de FERMI el factor de multiplicación era igual a 1,007.

puede ser comparado. Al explotar la bomba se producen temperaturas más elevadas que las que reinan en el centro del Sol; su carga está constituida por materias que normalmente no existen en la naturaleza y se emiten radiaciones (neutrones, rayos gamma, electrones) de una intensidad que no tiene precedentes en la experiencia humana. Las presiones que se obtienen equivalen a billones de veces la presión atmosférica. En el sentido más primario y más sencillo, es perfectamente cierto que con las armas atómicas el hombre ha creado situaciones nuevas.”

En pilas y bombas de uranio (o plutonio), la energía se produce por la ruptura de un elemento muy pesado en fragmentos menos pesados. Sin embargo, para producir enormes cantidades de energía no es éste el proceso que la naturaleza elige. Las estrellas prefieren la fusión a la “fisión”; como ya dijimos, transforman en gigantesca escala —por síntesis de elementos livianos— una parte de su materia nuclear en energía radiante. Tan sólo las prodigiosas reservas energéticas, cuyo depósito son los núcleos, pueden permitir al Sol irradiar en forma de luz y calor, año tras año, tres quintillones (3 x 1030) de grandes calorías.

Este torrente de energía solar fluye por lo menos desde hace cuatrocientos o quinientos millones de años, puesto que las pruebas aportadas por la flora y fauna paleozoicas sugieren que las condiciones climáticas de la Tierra no han cambiado esencialmente desde aquella remotísima era primaria. Mas ¿cuál es la transformación nuclear capaz de alimentar tan formidable despliegue energético, que equivale por segundo a una pérdida de cuatro millones de toneladas de masa solar? No cabe duda de que la transformación del elemento más común del universo, el hidrógeno en helio (el elemento que sigue al hidrógeno en la Tabla Periódica), podría suministrar la fuente energética de la radiación solar.

En efecto, la síntesis del helio a partir de los constituyentes de su núcleo está acompañada —como hemos explicado al tratar la energía de la unión nuclear— por la pérdida de una parte de las masas que intervienen, siendo liberada la masa desaparecida —de acuerdo con la equivalencia einsteniana— en forma de energía radiante. Sin embargo, el mecanismo de la supuesta transmutación no había dejado de ser enigmático hasta que HANS BETHE, hacia 1940, propuso su hipótesis del ciclo del carbono.

Las enormes temperaturas que reinan en el interior del Sol —veinte millones de grados en la región central— confieren a las partículas de la masa solar —y especialmente a los protones a velocidades tan elevadas que éstas pueden penetrar en los núcleos de elementos livianos y transmutarlos. Así, el núcleo ordinario de carbono, bombardeado por un protón, se transforma al capturarlo en un isótopo del nitrógeno que se desintegra. En cinco reacciones consecutivas engendran con la emisión de dos electrones positivos varios isótopos de carbono, de nitrógeno y de oxígeno. Bombardeados éstos a su vez por núcleos de hidrógeno, conducen finalmente a la formación del helio.

La excepcional característica de este ciclo, que convierte cuatro núcleos de hidrógeno en un núcleo de helio, es la reaparición del carbono inicial en la última reacción, que se encuentra así regenerado. Desempeña el papel de catalizador y puede ser utilizado innumerables veces, hasta que todo el hidrógeno solar haya sido transmutado en helio, asegurando así las reservas energéticas del Sol durante miles de millones de años. A idénticas o análogas reacciones termonucleares deben sus caudales de energía también otras estrellas.

No cabe duda de que el ciclo de carbono, productor de la energía solar, representa el primordial proceso físico-químico del universo desde la perspectiva de la historia humana. Sin las reacciones termonucleares, que se realizan en el interior del Sol, la vida no habría podido surgir sobre la superficie de la Tierra, donde los fenómenos biológicos, desde la fotosíntesis de la clorofila de los vegetales hasta el metabolismo en el organismo de los animales y del hombre, son tributarios de la radiación solar. Es un hecho realmente notable que el carbono —sustancia básica de la materia viva— desempeñe también el papel de catalizador en el grandioso proceso cósmico que dio origen primario a todas las actividades vitales en la naturaleza terrestre.

La síntesis de elementos livianos a partir del hidrógeno ha dejado de ser privilegio de las masas estelares desde hace algunos años. Reacciones termonucleares, productoras de la fusión de núcleos, suministran la fuente energética a la novísima arma: la bomba de hidrógeno. Desde luego, el ciclo de BETHE, que genera helio en las profundidades del globo solar es demasiado lento y complicado para el uso militar.

Es probable que la transmutación de una masa de los dos isótopos pesados del hidrógeno, el deuterio y el tritio, en helio, esté en la base de la liberación de energía realizada por la nueva bomba. Para establecer las formidables temperaturas (varios millones de centígrados) capaces de desencadenar la reacción se utiliza la ruptura del uranio o del plutonio: la bomba de “fisión” sirve de detonador a la superbomba de fusión. El modelo de ésta, utilizado por los expertos estadounidenses en las pruebas de Enivetock, a fines de 1952, superaba doscientas veces el poder (es decir, la cantidad de energía liberada) de la bomba de Hiroshima, según estimaciones extraoficiales.

No cabe duda de que la posibilidad de borrar de la superficie del globo cualquiera de las grandes metrópolis de la Tierra mediante la explosión de una bomba o a lo sumo de muy pocas bombas está, desde ahora, dentro de los alcances del hombre. El uso de esta arma en un conflicto bélico significaría la abdicación de la razón humana y equivaldría a una tentativa de suicidio del homo sapiens.

PARA SABER MAS...
1938:SE DESCUBRE LA FISIÓN NUCLEAR

A mediados de los anos treinta, físicos de Alemania, Francia e Italia competían por ser los primeros en conseguir romper un átomo. El físico francés Frédéric Joliot-Curie había iniciado la carrera al declarar que «las reacciones nucleares en cadena» conducían a la «liberación de enormes cantidades de energía aprovechable».

En 1935 había sido galardonado con el Premio Nobel (junto con su mujer, Irene Joliot-Curie) por el descubrimiento de la radiactividad artificial. En Berlín, un equipo de investigación compuesto por Otto Hahn, Fritz Strassmann y Lise Meitner empezó a bombardear átomos de uranio con neutrones. Los científicos esperaban que el proceso diera lugar a elementos radiactivos más pesados similares al uranio. En vez de esto, a finales de 1938, Hahn y Strassmann (Meitner, judía austríaca, había huido a Suecia después de que Hitler invadiera Austria en marzo) se sorprendieron al descubrir que su bombardeo sobre el uranio había dado lugar a un elemento mucho más ligero que el uranio, llamado bario.

Hahn y Strassmann enviaron sus resultados a Meitner, a Estocolmo, donde ella y su sobrino, el físico Otto Frisen, investigaron el misterio. Llegaron a la conclusión de que el núcleo del uranio, en vez de emitir una partícula o un pequeño grupo de partículas, como se suponía, desarrollaba una «cadena» y luego se rompía en dos fragmentos ligeros prácticamente iguales, cuyas masas, unidas, pesaban menos que el núcleo original del uranio. La diferencia de peso se convertía en energía.

Meitner dio el nombre de «fisión» al proceso. Joliot-Curie descubrió que la fisión del uranio producía la liberación de neutrones adicionales que, a su vez, podían ser utilizados para romper otros átomos de uranio. Se habían establecido las condiciones para el tipo de reacción en cadena que daría lugar a la bomba atómica.

Durante la guerra, Hahn y Strassmann permanecieron en Alemania. Hahn fue capturado por los aliados en la primavera de 1945 y, mientras se hallaba detenido en Inglaterra, se enteró de que había ganado el Nobel de Química de 1944. Cuando aceptó el premio, el sentimiento de que había realizado un gran descubrimiento científico estaba empañado a causa de que la fisión había hecho posible la destrucción de Hiroshima y Nagasaki. Después de la guerra, Hahn defendió con gran pasión el control de las armas nucleares.

Fuente Consultada: Historia de la Ciencia Desidero Papp

La Historia de la Física Moderna

Las radiaciones del núcleo atómico, alfa , beta y gamma

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