Fisión y Fusión

Reacciones de fisión nuclear

Algunos átomos pesados son inestables y mantienen la estabilidad emitiendo partículas radiactivas, como partículas alfa y beta. Este proceso se produce de forma espontánea y aleatoria. Los núcleos grandes también pueden volverse más estables dividiéndose en dos núcleos más pequeños. Este proceso se conoce como fisión nuclear y no es aleatorio. Para que se produzca la división es necesario que un neutrón colisione con el núcleo pesado. Después de que el neutrón colisione con el núcleo, éste se vuelve inestable. El núcleo se divide entonces en dos núcleos más pequeños, de tamaño similar, y libera dos o tres neutrones en el proceso junto con grandes cantidades de energía en forma de rayos gamma. Los núcleos más pequeños, conocidos como productos de fisión, suelen ser también inestables y pueden liberar partículas alfa o beta para alcanzar la estabilidad. Parte de la energía que se libera es en forma de energía cinética de los productos de fisión. El ejemplo siguiente muestra cómo se produce la fisión.

Diagrama de fisión nuclear

Los neutrones en movimiento son los responsables de que se produzca la fisión y los productos de la fisión incluyen neutrones con energía cinética. Estos neutrones producidos pueden utilizarse para provocar otras fisiones nucleares. Este proceso se denomina reacción nuclear en cadena. En el ejemplo anterior, el uranio-235 se fisiona para formar bario-139 y criptón-95 y dos neutrones. Estos dos neutrones pueden provocar la fisión de otros dos núcleos de uranio, produciendo cuatro neutrones que pueden provocar cuatro fisiones. Por tanto, el número de fisiones crecerá exponencialmente con el tiempo. Esto se denomina reacción en cadena incontrolada y puede liberar una enorme cantidad de energía en poco tiempo. Este principio es el que se utilizó para construir la bomba atómica. Una pequeña cantidad de uranio en fisión puede destruir una ciudad entera.

Si pudiéramos controlar el número de neutrones producto utilizados para iniciar nuevas fisiones, podríamos controlar la cantidad total de energía liberada. Si sólo se utiliza un neutrón producto para provocar la fisión de un núcleo, entonces se controla la reacción en cadena. Así es como se crean los reactores nucleares de fisión utilizando uranio. El siguiente diagrama de fisión muestra la reacción en cadena incontrolada que se produciría a partir de la fisión del uranio-236.

El uranio-236 sufre una fisión para producir bario-144 y criptón-89. Los dos neutrones producidos se utilizan entonces para provocar la fisión de otros dos núcleos de uranio-236. El proceso continúa en una reacción en cadena incontrolada, Wikimedia Commons CC BY-SA 4.0

Ejemplo de fisión nuclear

Primero debemos recordar que el símbolo de cualquier átomo neutro$X$se escribe de la siguiente manera

${}_Z{}^{A}X$

donde el número atómico$Z$representa el número de protones en el núcleo de este átomo y el número másico$A$representa el número de protones y neutrones del núcleo. Ahora, si consideramos el ejemplo anterior de la división del uranio-235 en bario-139 y criptón-95, podemos escribir una ecuación para la reacción que represente el equilibrio de los reactantes y los productos. Esto se denomina ecuación nuclear y la ecuación para el ejemplo descrito tiene el siguiente aspecto. La masa y los números atómicos a ambos lados de una ecuación nuclear deben equilibrarse para que se produzca la reacción nuclear. Observa que esta ecuación contiene una flecha hacia la derecha en lugar del símbolo de igualdad.

${}_0{}^1\mathrm{n}+{}_{92}{}^{235}\mathrm{U}\to {}_{56}{}^{139}\mathrm{Ba}+{}_{36}{}^{95}\mathrm{Kr}+2{}_0{}^1\mathrm{n}$

Los reactantes están a la izquierda de esta flecha y los productos a la derecha. Los números atómicos y los números másicos a ambos lados de esta ecuación se equilibran, lo que significa que la fisión puede producirse efectivamente de esta manera. El ejemplo siguiente muestra cómo puede escribirse otra ecuación nuclear.

Reacciones de fusión nuclear

Si dos núcleos ligeros se fusionan, pueden formar un núcleo más pesado y liberar energía en el proceso. Esto se conoce como fusión nuclear. La interacción requiere una cantidad significativa de energía para producirse. La fusión nuclear se produce en las estrellas, como el Sol, y es la fuente principal de su energía. Las temperaturas y presiones en las estrellas son lo suficientemente grandes como para fusionar dos átomos de hidrógeno (dos protones cada uno) en un núcleo de helio (dos protones y dos neutrones). En el proceso, dos protones se convierten en neutrones. La masa del núcleo de helio es menor que la masa de los átomos de hidrógeno que se fusionaron para formarlo, por lo que el resto de la masa se libera en forma de energía tras la reacción de fusión. La fusión nuclear no crea productos radiactivos, lo que la convierte en una buena candidata como fuente de energía limpia para el futuro.

Diagrama de fusión nuclear

El siguiente diagrama de fusión representa la fusión entre dos isótopos de hidrógeno: el deuterio${}_1{}^2\mathrm{H}$y el tritio${}_1{}^3\mathrm{H}$. Esta fusión produce helio, un neutrón con energía cinética y una cantidad importante de energía en forma de calor.

Diagrama que muestra la fusión de dos isótopos de hidrógeno; deuterio y tritio que se fusionan para formar helio. En el proceso se libera un neutrón junto con una cantidad significativa de energía, Wikimedia Commons CC BY-SA 3.0

Ejemplo de fusión nuclear

Consideremos la figura anterior e intentemos escribir y equilibrar la ecuación nuclear de la reacción.

Diferencias y similitudes entre fisión y fusión

La siguiente tabla contiene algunas de las diferencias y similitudes entre la fisión nuclear y la fusión nuclear.