Fisión: Comprendiendo el Proceso y sus Usos. Aprende qué es la fisión nuclear, cómo se produce y sus aplicaciones en energía y tecnología. Ideal para principiantes.
Fisión: Comprendiendo el Proceso y sus Usos
La fisión nuclear es un proceso fundamental en física nuclear que ha cambiado radicalmente la manera en que obtenemos energía y entendemos el universo. La fisión es la división del núcleo de un átomo en partes más pequeñas, a menudo produciendo neutrones libres y fotones (en forma de rayos gamma), así como una cantidad significativa de energía. Este artículo discutirá los fundamentos de la fisión, las teorías que la sustentan, las ecuaciones involucradas y sus aplicaciones en la industria y otros campos.
Fundamentos de la Fisión Nuclear
Para entender la fisión nuclear, es importante comenzar con algunos conceptos básicos de física atómica. Los átomos están compuestos por un núcleo central, que contiene protones y neutrones, y una nube de electrones que orbitan alrededor del núcleo. La fisión nuclear específicamente involucra el núcleo.
El proceso de fisión se produce cuando el núcleo de un átomo pesado, como el uranio-235 (235U) o el plutonio-239 (239Pu), se divide en dos o más núcleos más ligeros. Este proceso también libera varios neutrones y una cantidad considerable de energía. La ecuación que describe la conversión de masa en energía es la famosa ecuación de Einstein:
E = mc2
donde E es la energía liberada, m es la masa perdida en el proceso, y c es la velocidad de la luz en el vacío (aproximadamente 3 x 108 m/s).
Teorías que Explican la Fisión Nuclear
El proceso de fisión nuclear fue explicado por primera vez en 1938 por los científicos alemanes Otto Hahn y Fritz Strassmann, y posteriormente interpretado teóricamente por Lise Meitner y Otto Frisch. La teoría principal se basa en el concepto de la energía de enlace nuclear, que es la energía necesaria para mantener unido el núcleo del átomo.
Según el modelo de gota líquida del núcleo, desarrollado por Niels Bohr y John Archibald Wheeler, el núcleo de un átomo pesado puede describirse como una gota líquida cargada de neutrones y protones. Esta “gota” puede ser inestable y, si se deforma lo suficiente, puede dividirse en dos gotas más pequeñas, liberando energía en el proceso.
Ecuaciones y Fórmulas Importantes
Para comprender la fisión a nivel cuantitativo, es esencial conocer algunas de las ecuaciones y conceptos básicos:
- La energía liberada durante la fisión puede estimarse utilizando la fórmula de Einstein, E = mc2.
- La energía de enlace por nucleón es una medida importante que nos dice cuán fuertemente están unidos los protones y neutrones en el núcleo. Se calcula como:
E_b = \frac{E_b_total}{A}
donde E_b_total es la energía total de enlace del núcleo y A es el número de nucleones (protones más neutrones).
Cuando un núcleo se divide, la diferencia en la energía de enlace por nucleón entre los productos de la fisión y el núcleo original determina la cantidad de energía liberada en el proceso. Por ejemplo, en el caso de la fisión del uranio-235:
^235U + ^1n → ^141Ba + ^92Kr + 3^1n + Energía
En esta reacción, el uranio-235 absorbe un neutrón (1n) y se convierte en uranio-236, que es muy inestable. Este núcleo inestable se divide rápidamente en bario-141 (141Ba) y kriptón-92 (92Kr), liberando tres neutrones adicionales y una gran cantidad de energía.
La energía liberada en la fisión de un solo núcleo de uranio-235 es aproximadamente 200 MeV (mega electronvoltios), que es equivalente a 3.2 x 10-11 joules. Aunque esto puede parecer una cantidad diminuta de energía, cuando se considera que hay aproximadamente 2.5 x 1022 átomos de uranio-235 en un gramo de uranio, la cantidad total de energía liberada es inmensa.
La tasa de fisión se puede controlar ajustando la velocidad a la que los neutrones son absorbidos por otros núcleos fisiles. Este concepto es el corazón de los reactores nucleares, que utilizan barras de control hechas de materiales como el cadmio o el boro, que son buenos absorbentes de neutrones.
Aplicaciones de la Fisión Nuclear
La fisión nuclear tiene una amplia gama de aplicaciones que van desde la generación de electricidad hasta aplicaciones médicas y militares. La más conocida de estas aplicaciones es la generación de energía nuclear en centrales eléctricas.
En una planta de energía nuclear, el proceso de fisión se utiliza para generar calor, que luego se usa para producir vapor. Este vapor mueve las turbinas que generan electricidad. Un solo reactor nuclear puede producir una cantidad masiva de electricidad, suficiente para alimentar a cientos de miles de hogares.
Otra aplicación crítica de la fisión nuclear es la producción de isótopos radiactivos para el uso en medicina. Isótopos como el yodo-131 y el molibdeno-99 se utilizan en técnicas de diagnóstico y tratamiento de enfermedades como el cáncer.
Reactores de Investigación y Otras Aplicaciones
- Investigación Científica: Los reactores nucleares de investigación se utilizan para estudiar los efectos de la radiación y para producir materiales radiactivos utilizados en diversos experimentos científicos.
- Propulsión: Los submarinos y barcos de la marina utilizan reactores nucleares para la propulsión, permitiéndoles operar durante largos períodos sin reabastecerse de combustible.
- Armas: Lamentablemente, la fisión nuclear también se utiliza en armas de destrucción masiva, como las bombas atómicas.
En el próximo apartado, profundizaremos en los aspectos de seguridad, algunos desafíos y la perspectiva futura de la fisión nuclear en el ámbito energético y más allá.