fisión

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FUSIÓN Y FISIÓN

Glosario de términos "Fisión, Fusión y Radioactividad"

 a)             Fisión

Es cuando un neutron que se desplaza a gran velocidad impacta contra el nucleo de un elemento de peso atomico elevado como el uranio o el torio, como consecuencia del choque, el nucleo se divide en dos núcleos de peso atomico intermedio al tiempo que se liberan varios neutrones y se desprende energia. Los neutrones liberados chocan con otros núcleos iniciando una reaccion en cadena. (Ejemplo bombas nucleares)

Es el proceso utilizado actualmente en las centrales nucleares. En las centrales nucleares el proceso se modera, evitando la reacción en cadena, para generar energía de forma lenta, pues de lo contrario el reactor se convertiría en una bomba atómica. El proceso básico es el siguiente:

 

Como combustible se utilizan barras de Uranio enriquecido al 4% con Uranio-235.
El Uranio natural es mayoritariamente U-238,  el que es fisionable es el   U-235, que es un 0.71% del Uranio que se encuentra en la naturaleza, de ahí que solo un pequeño porcentaje del Uranio se aproveche y se requieran grandes cantidades de este para obtener una cantidad significativa de U-235.
Las barras con el U-235 se introducen en el reactor, y comienza un proceso de fisión. En el proceso, se desprende energía en forma de calor. Este calor, calienta unas tuberías de agua, y esta se convierte en vapor, que pasa por unas turbinas, haciéndolas girar. Estas a su vez, hacen girar un generador eléctrico, produciendo así electricidad. Lógicamente, no se aprovecha toda la energía obtenida en la fisión, parte de ella se pierde en calor, resistencia de los conductores, vaporización de agua, etc.
Los neutrones son controlados para que no explote el reactor mediante unas barras de control (generalmente, de Carburo de Boro), que al introducirse, absorben neutrones, y disminuye el número de fisiones, con lo cual, dependiendo de cuántas barras de control se introduzcan, se generará más o menos energía. Normalmente, se introducen las barras de tal forma, que solo se produzca un neutrón por reacción de fisión, controlando de esta forma el proceso de fisión. Si todas las barras de control son introducidas, se absorben todos los neutrones, con lo cual se pararía el reactor.
El reactor se refrigera, para que no se caliente demasiado, y funda las protecciones,  incluso cuando este esté parado, ya que la radiación hace que el reactor permanezca caliente.

 

En el siguiente esquema, se muestra cómo trabaja una central nuclear, según lo explicado anteriormente:

 

b)             Fusión

Dos núcleos ligeros como el euterio y el tritio chocan a altisima temperatura y se funden en un nucleo de helio al tiempo que se desprende un neutron y gran cantidad de energia (Ejemplo: energia solar)

La fusión nuclear, está actualmente en líneas de investigación, debido a que todavía hoy no es un proceso viable, ya que se invierte más energía en el proceso para que se produzca la fusión, que la energía obtenida mediante este método.
La fusión, es un proceso natural en las estrellas, produciéndose reacciones nucleares por fusión debido a su elevadísima temperatura interior.

Las estrellas están compuestas principalmente por Hidrógeno y Helio. El hidrógeno, en condiciones normales de temperatura, se repele entre sí cuando intentas unirlo (fusionarlo) a otro átomo de hidrógeno, debido a su repulsión electrostática. Para vencer esta repulsión electrostática, el átomo de hidrógeno debe chocar violentamente contra otro átomo de hidrógeno, fusionándose, y dando lugar a Helio, que no es fusionable. La diferencia de masa entre productos y reactivos es mayor que en la fisión, liberándose así una gran cantidad de energía (muchísimo mayor que en la fisión). Estos choques violentos, se consiguen con una elevada temperatura, que hace aumentar la velocidad de los átomos.
La primera reacción de fusión artificial, tuvo origen en la investigación militar, fue una bomba termonuclear (o también llamada bomba-H o de Hidrógeno), para obtener la temperatura adecuada que inicia el proceso de fusión (unos 20 millones de grados centígrados) se utilizó una bomba atómica. 

Para que se produzca la fusión, es necesario que los núcleos cargados positivamente se aproximen venciendo las fuerzas electrostáticas de repulsión. En la Tierra, donde no se puede alcanzar la gran presión que existe en el interior del Sol, la energía necesaria para que los núcleos que reaccionan venzan las interacciones se puede suministrar en forma de energía térmica o utilizando un acelerador de partículas.

La solución más viable es la fusión térmica. Estas reacciones de fusión térmica, llamadas reacciones termonucleares, se producen en los reactores de fusión y fundamentalmente con los isótopos de hidrógeno.

El aprovechamiento por el hombre de la energía de fusión pasa por la investigación y el desarrollo de sistemas tecnológicos que cumplan dos requisitos fundamentales: calentar y confinar. Calentar para conseguir un gas sobrecalentado (plasma) en donde los electrones salgan de sus órbitas y donde los núcleos puedan ser controlados por un campo magnético; y confinar, para mantener la materia en estado de plasma o gas ionizado, encerrada en la cavidad del reactor el tiempo suficiente para que pueda reaccionar.

La ganancia energética de la fusión consiste en que la energía necesaria para calentar y confinar el plasma sea menor que la energía liberada por las reacciones de fusión.

Este tipo de reacciones son muy atractivas como fuente de energía ya que el deuterio no es radiactivo y se encuentra de forma natural y prácticamente ilimitada en la naturaleza. El tritio no se presenta de forma natural y además es radiactivo. Sin embargo las investigaciones están básicamente centradas en las reacciones deuterio-tritio, debido a que liberan una mayor energía y la temperatura a la que tiene lugar la fusión es considerablemente menor que en las otras.

La tecnología de fusión se está desarrollando en dos líneas principales:

Fusión por confinamiento magnético: Las partículas eléctricamente cargadas del plasma son atrapadas en un espacio limitado por un campo magnético al describir trayectorias helicoidales determinadas por las líneas de fuerza de dicho campo. El dispositivo más desarrollado tiene forma toroidal y se denomina Tokamak (siendo esta la tecnología utilizada en el proyecto ITER).

Fusión por confinamiento inercial: Consiste en crear un medio tan denso que las partículas no tengan prácticamente ninguna posibilidad de escapar sin chocar entre sí. Súbitamente impactada por poderosos haces luminosos creados por láser, una pequeña esfera de un compuesto sólido de deuterio y tritio implosiona bajo los efectos de la onda de choque. De esta forma, se hace cientos de veces más densa que en su estado sólido normal y explosiona bajo los efectos de la reacción de fusión.

Actualmente hay reactores de investigación para lograr producir electricidad a través de este proceso. Cabe destacar el Reactor Experimental Termonuclear Internacional ITER en el que participan la Unión Europea, China, Japón, Rusia, India, Corea del Sur y Estados Unidos.

c)                Radioactividad

La radioactividad o radiactividad es un fenómeno natural o artificial, por el cual algunas sustancias o elementos químicos llamadas radiactivos, son capaces de emitir radiaciones, las cuales tienen la propiedad de impresionar placas fotográficas, ionizar gases, producir fluorescencia, atravesar cuerpos opacos a la luz ordinaria, etc. Las radiaciones emitidas por las sustancias radiactivas son principalmente partículas alfa, partículas beta y rayos gamma. La radioactividad es una forma de energía nuclear, usada en medicina (radioterapia)y consiste en que algunos átomos como el uranio, radio y torio son “inestables”, y pierden constantemente partículas alfa, beta y gamma (rayos X).

Tenemos dos tipos de Radioactividad:

• La radiactividad natural es el proceso mediante el cual los núcleos pesados e inestables de algunos materiales radiactivos se desintegran de forma espontánea y producen nuevos núcleos de nuevos elementos y liberación de energía.
•  La radiactividad artificial Consiste en la ruptura de los núcleos de átomos estables a través del bombardeo con partículas ligeras aceleradas, dando origen a nuevos núcleos que corresponden a nuevos elementos. 

La radiactividad cubre un abanico de aplicaciones tan amplio que pocas tecnologías pueden compararse con ella. Abarca desde la prehistoria al estudio del genoma o la curación del cáncer.
En Medicina la radiactividad es usada como método de diagnóstico (rayos X, estudios metabólicos con sustancias trazadoras, tomografía axial computerizada y tomografía por emisión de positrones) y de curación (los tratamientos de radiactividad contra el cáncer curan a miles de personas cada año). Se utiliza cotidianamente en investigación (estudio del funcionamiento de sustancias relevantes para la vida, como son los aminoácidos, el ADN, los azúcares, las penicilinas, etc., mediante el uso de núcleos radiactivos trazadores). Sirve para entender cómo funciona el cerebro, qué acción realizan los medicamentos. De igual forma, las radiaciones pueden destruir las células tumorales.
En Agricultura se utilizan las técnicas con sustancias trazadoras para analizar las funciones de fertilizantes, hormonas, herbicidas, pesticidas, etc.; con sustancias radiactivas se pueden producir mutaciones que mejoren cosechas o erradicar plagas.
En la Industria, los rayos X y la radiación gamma se usan para la detección de defectos en fundición y soldadura y la medida de espesores de láminas de los más variados materiales. Los trazadores permiten el análisis de problemas tales como el desgaste de los neumáticos de los automóviles, la detección de fugas en tuberías subterráneas, la determinación de la eficacia de los detergentes, etc.

Los contenidos de partículas materiales en el aire, de gran importancia en Ecología para la determinación de los niveles de polución atmosférica, pueden analizarse con la técnica que se denomina activación neutrónica.


Otras muchas aplicaciones de la radiactividad pueden catalogarse de curiosas, la utilización de sustancias radiactivas en detectores de humo o en pararayos (estos últimos ya prácticamente erradicados a pesar de su eficacia).
La Arqueología, la Geología y la Antropología emplean métodos de datación de objetos y sucesos históricos utilizando el carbono 14 u otros isótopos, que permiten definir una edad para los acontecimientos que describen la historia de la Tierra, su clima y los seres vivos que la habitaban.
Menos conocido es el uso de la activación neutrónica para, por ejemplo, determinar las rutas comerciales de la antigüedad mediante el análisis de los elementos contenidos en fragmentos de cerámica, o de la técnica denominada de fluorescencia de rayos X para analizar las características básicas de las pinturas o tintas utilizadas en cuadros y manuscritos.
En Biología, numerosos adelantos realizados durante la segunda mitad del siglo XX están vinculados a la utilización de radiactividad. Entre los más importantes hay que destacar el funcionamiento del genoma humano y de otros animales, el metabolismo celular o la transmisión de mensajes químicos en el organismo.