Concepos de física nuclear

Fundamentos básicos referidos a la fisión nuclear

La energía nuclear, al igual que otras tecnologías, tiene aplicaciones tanto en el ámbito civil como bélico. Esta se basa en la producción de energía mediante reacciones a nivel nuclear. De forma controlada puede usarse para generar electricidad de forma muy eficiente, pero de forma descontrolada, puede desarrollar una capacidad de destrucción enorme. Veamos como se genera esta energía.

Atomo

Toda la materia se compone de unas partículas llamadas átomos. Estos están formados por un núcleo que es una aglomeración de protones (Partículas con carga positiva) y neutrones (Partículas sin carga). En torno a este núcleo giran los electrones, con carga negativa. Estos últimos son mucho más ligeros que las dos anteriores (De igual masa) y si pensamos a esa escala de medidas, estos están muy alejados del núcleo. Por ejemplo, el átomo de hidrógeno está formado por un protón y un electrón. Bien, si ese protón lo aumentásemos de escala hasta darle un diámetro de 1 centímetro, el electrón giraría alrededor suya a una distancia de medio kilómetro. El átomo realmente está casi vacío y si tenemos en cuenta que los átomos se unen entre sí en la órbita de los electrones, toda la materia también lo está. Seguramente ahora la sólida mesa sobre la que lee esto o las duras paredes que le rodean, no le parecen ni tan sólidas ni tan duras.

Volviendo al átomo hay que decir que a partir de ahora, en el contexto de este artículo, solo nos interesa el núcleo, y es por eso que se las llama armas nucleares. Todo se desarrolla en éste, siendo el término “armas atómicas” incorrecto (Si nos ceñimos a las reacciones, este término sería más apropiado para las bombas de explosivo convencional) sin embargo, a día de hoy está aceptado.

Cada elemento de la tabla periódica (Relación de todos los elementos conocidos) se diferencia del resto por el número de protones que siempre será fijo en él. No obstante, un determinado elemento puede tener en su núcleo diferente número de neutrones. Por ejemplo, el núcleo del átomo del elemento hidrógeno solo consta de un protón. Pero existe un átomo que consta de un protón y un neutrón. Como ya dijimos, lo que determina la identidad es el número de protones, por eso sigue tratándose de hidrógeno, aunque es diferente. A esto se le denomina isótopo. Algunos tienen nombres propios, como es este caso. Al átomo con un protón y un neutrón se le denomina deuterio. El deuterio es un isótopo del hidrógeno. En otras ocasiones, los isótopos se indican con el símbolo del elemento seguido del número de partículas que forman su núcleo. Por ejemplo, el uranio, en su variedad más habitual consta de 238 partículas en su núcleo (92 protones + 146 neutrones) y es conocido como U-238. No obstante, un isótopo suyo es el U-235 (92 protones + 143 neutrones).

Cierto número de neutrones vagan de forma libre por el espacio que nos rodea provenientes de muchas fuentes. Si un neutrón impacta con el núcleo de un átomo, puede rebotar, “incrustarse” en éste o romperlo. Por lo general, cuanto más pesado es un elemento o isótopo (Mayor número de partículas en su nucleo), su núcleo es más inestable, es decir, es más fácil que se rompa separándose en dos trozos. Hay que tener en cuenta que a medida que un átomo es más pesado, el número de neutrones con respecto al de protones es mayor. Con el número de partículas crece la proporción de neutrones frente a los protones. Si un núcleo se rompe, estos trozos son más ligeros que el original, por lo que contendrán un exceso de neutrones que liberarán. Junto a éstos, se liberará también una importante cantidad de energía. Esto se conoce como fisión nuclear. Existen dos tipos. Determinados elementos requieren para su fisión que impacten contra sus núcleos neutrones con gran cantidad de energía cinética, es decir, que vayan a gran velocidad. Cuando se da este caso, recibe el nombre de fisión rápida (La del U-238 por ejemplo). Por el contrario, existen elementos muy inestables a los que les basta la adición a su núcleo de un neutrón para que se rompan, independientemente de la energía de éste. Es el caso de la fisión lenta (La del U-235 por ejemplo, que el neutrón se incorpora al núcleo y lo desestabiliza rompiéndolo).

Tras cada fisión, se generan dos nuevos elementos más ligeros y un determinado número de neutrones libres, que pueden impactar y romper otros núcleos generando a su vez más neutrones y así sucesivamente. A esto se le llama reacción en cadena. Hay que señalar que cada fisión puede ser diferente liberándose distintas cantidades de energía y neutrones, pudiendo variar la cantidad de estos últimos desde 0 a varios.

Reacción en cadena

Ya dijimos que los átomos, y por ende la materia, están casi vacíos. Es por esto, que el hecho de que un neutrón penetre en un bloque de material fisible como sería por ejemplo el U-235, no garantiza que llegue a impactar contra ningún núcleo, pudiendo atravesarlo limpiamente. Sería como disparar con una pistola a una reja de alambre poco tupida. Por otro lado, podría darse la casualidad de que impactase y rompiese algún núcleo, pero los neutrones libres podrían escapar del bloque de material sin impactar con otros núcleos. Para que se iniciase una reacción en cadena donde los neutrones liberados impactasen contra otros átomos, la esfera de material (Se usa esta forma geométrica por convenio) debería tener una masa crítica o superior. La masa crítica es la cantidad mínima necesaria del elemento fisionable para que pueda mantenerse una reacción en cadena. Esto es por que se estima que el neutrón necesita atravesar un determinado número de átomos antes de que impacte en un núcleo atómico (Dado su tamaño sería una casualidad enorme que impactase con el primero por ejemplo). A más masa, más posibilidades de toparse con un núcleo. Utilizando el símil de disparar contra una reja poco tupida, el equivalente de aumentar la cantidad de material fisible sería colocar varias rejas superpuestas una tras otra, facilitando así que la bala termine por impactar con algún alambre. No obstante, también se puede facilitar el encontronazo del neutrón y el núcleo aumentando la densidad del material. Concretamente, la masa crítica es inversamente proporcional al cuadrado del aumento de densidad conseguido en la muestra del material fisible. Aplicando nuevamente el ejemplo de la reja de alambre, en este caso lo que se haría es comprimirla para que la superficie de las áreas vacías sea menor, mientras que la cantidad de alambre se mantiene. Por el contrario, cuando la masa y la densidad de la esfera son suficientes para que la reacción en cadena se descontrole liberando tanta energía que termine en explosión, se denomina masa supercrítica.

Hay que tener en cuenta que es imposible obtener U-235 puro. El Uranio se encuentra en la naturaleza y está formado por 99,2836% de U-238, 0,7110% de U-235, y 0,0054% U-234. Mediante procesos físicos y químicos, aprovechando el diferente peso de sus partículas se puede obtener una nueva mezcla conocida como uranio enriquecido que se caracteriza por contener un porcentaje de U-235 mucho mayor. Las siglas HEU (High Enriched Uranium, Uranio altamemente enriquecido) denotan a la mezcla que contiene un porcentaje de más de un 20% de U-235 (Entre el 0,7110% y el 20% se le denomina uranio enriquecido a secas). Igual pasa con otros isótopos fisibles. Estos suelen ser radiactivos, y sus átomos se rompen aleatoriamente sin influencia externa generando otros nuevos elementos. Es por ello que por mucho que se depure, un bloque de material fisible puro, contendrá impurezas al poco de haberse procesado. Esto nos interesa por que cuantas más impurezas en forma de elementos no fisibles contiene el material fisible, más difícil se hace su reacción en cadena. Cuantas más impurezas, mayor será la masa crítica. Por ejemplo, la masa crítica de una esfera de uranio enriquecido al 90 % (90% de U-235) habría de de ser de 53,8 kilogramos para que en ella pudiese iniciarse y mantenerse una reacción en cadena. Si el enriquecimiento se reduce al 50%, la masa crítica se elevaría hasta los 170 kilogramos. Por el contrario, si la esfera fuese de U-235 puro, la masa crítica sería de tan solo 41 kilogramos.