Fisión nuclear, radiactividad y unidad eV
En la central nuclear Atucha, en Zárate, un puñado de pastillas de uranio no más grandes que un dedo alimenta de electricidad a miles de hogares durante meses. ¿Cómo puede tan poca materia dar tanta energía? La respuesta está dentro del núcleo del átomo, y al final de la página vas a poder explicarla con números.
Fisión: partir un núcleo pesado
Un núcleo de uranio-235 (92 protones y 143 neutrones, 235 nucleones en total) es muy grande y apenas se sostiene. Si absorbe un neutrón, queda en un estado muy excitado, el uranio-236, que es inestable y se rompe en dos núcleos más chicos, liberando además algunos neutrones y mucha energía.
A ese proceso se lo llama fisión nuclear. Es el que se aprovecha en las centrales nucleares actuales, como Atucha (Zárate) y Embalse (Córdoba).
Una reacción de fisión típica se escribe así:
$${}^{235}_{92}\text{U} + {}^{1}_{0}\text{n} \rightarrow {}^{141}_{56}\text{Ba} + {}^{92}_{36}\text{Kr} + 3\,{}^{1}_{0}\text{n} + \text{energía}$$Clasificá cada proceso como fusión o fisión: a) un núcleo de uranio-235 se divide en dos núcleos más chicos tras absorber un neutrón; b) cuatro protones se combinan para…
Clasificá cada proceso como fusión o fisión:
- a) un núcleo de uranio-235 se divide en dos núcleos más chicos tras absorber un neutrón;
- b) cuatro protones se combinan para formar helio en una estrella;
- c) el proceso que se aprovecha en las centrales nucleares actuales.
Justificá brevemente cada elección.
Una de las reacciones posibles de fisión del uranio-235 es: $${}^{235}{92}\text{U} + {}^{1}{0}\text{n} \rightarrow {}^{141}{56}\text{Ba} + {}^{92}{36}\text{Kr} +…
Una de las reacciones posibles de fisión del uranio-235 es:
$${}^{235}_{92}\text{U} + {}^{1}_{0}\text{n} \rightarrow {}^{141}_{56}\text{Ba} + {}^{92}_{36}\text{Kr} + 3\,{}^{1}_{0}\text{n} + \text{energía}$$Verificá que se conserva el número de nucleones y la carga (número atómico) entre los dos miembros. Después, explicá por qué los neutrones liberados son importantes para que la reacción continúe.
Reacción en cadena y control
En la fisión se liberan neutrones. Cada uno puede chocar con otro núcleo de U-235 y provocar una nueva fisión, que libera más neutrones, y así sucesivamente. Es una reacción en cadena.
Si cada fisión provoca 3 nuevas, la cantidad se triplica en cada generación:
| Generación | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
|---|---|---|---|---|---|
| Fisiones | 1 | 3 | 9 | 27 | 81 |
Es un crecimiento exponencial (cada paso se multiplica por 3), no lineal: en pocas generaciones la cantidad se dispara. En una bomba se deja que ocurra sin freno. En una central nuclear hay que controlarla: barras de control que absorben neutrones mantienen la reacción en un ritmo constante.
Para describir el control se usa el factor $k$: cuántos neutrones de una generación provocan fisiones en la siguiente.
| Valor de $k$ | Qué pasa con los neutrones | Situación |
|---|---|---|
| $k < 1$ | disminuyen | el reactor se apaga |
| $k = 1$ | se mantienen | funcionamiento estable |
| $k > 1$ | crecen cada vez más rápido | se descontrola |
En una reacción en cadena de uranio-235, cada fisión libera 3 neutrones y cada uno de ellos provoca una nueva fisión. Se parte de una sola fisión en la generación 1.…
En una reacción en cadena de uranio-235, cada fisión libera 3 neutrones y cada uno de ellos provoca una nueva fisión. Se parte de una sola fisión en la generación 1.
Armá una tabla con la cantidad de fisiones en las generaciones 1 a 6. Después, explicá qué tipo de crecimiento observás y por qué esto exige un control cuidadoso en una central nuclear.
En un reactor, el factor $k$ indica cuántos neutrones de una generación provocan fisiones en la generación siguiente. Un reactor arranca con 1.000 neutrones. 1. Calculá…
En un reactor, el factor $k$ indica cuántos neutrones de una generación provocan fisiones en la generación siguiente. Un reactor arranca con 1.000 neutrones.
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Calculá cuántos neutrones habrá después de 3 generaciones si $k = 1$ y si $k = 1{,}05$.
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Calculá lo mismo si $k = 0{,}95$.
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Interpretá los tres casos: ¿cuál corresponde a un reactor que opera de forma estable, a uno que se apaga y a uno que se descontrola?
El electronvolt (eV)
En los procesos nucleares las energías por núcleo son tan pequeñas medidas en joules que resulta incómodo usar esa unidad. Por eso se usa otra: el electronvolt (eV).
El eV es solo otra unidad de energía, adecuada a la escala atómica y nuclear, igual que el kilómetro es adecuado para viajes largos. Para pasar de una unidad a otra, multiplicás o dividís por el factor correspondiente.
Convertí las siguientes energías a las unidades pedidas: a) $3\ \text{MeV}$ a eV; b) $2\times 10^{9}\ \text{eV}$ a GeV; c) $5\ \text{eV}$ a joule, con…
Convertí las siguientes energías a las unidades pedidas:
- a) $3\ \text{MeV}$ a eV;
- b) $2\times 10^{9}\ \text{eV}$ a GeV;
- c) $5\ \text{eV}$ a joule, con $1\ \text{eV} = 1{,}6\times 10^{-19}\ \text{J}$.
¿Cuánta energía libera la fisión?
Cada fisión de un núcleo de U-235 libera unos 200 MeV. En joules:
$$200\ \text{MeV} = 200 \cdot 1{,}6\times 10^{-13}\ \text{J} = 3{,}2\times 10^{-11}\ \text{J}$$Parece muy poco, pero un kilogramo de uranio tiene una cantidad enorme de núcleos. Lo que importa es multiplicar.
Esa es la respuesta al gancho: la energía por núcleo es diminuta, pero una cantidad pequeña de uranio tiene muchísimos núcleos y cada fisión libera millones de veces más energía que una reacción química por átomo.
Fisión y fusión: ¿cuál rinde más?
Comparemos con el ciclo protón-protón del Sol (27 MeV por cada 4 protones). Por reacción, la fisión libera más (200 MeV contra 27 MeV). Por unidad de masa de combustible, conviene dividir:
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Fisión: $200 / 236 \approx 0{,}85\ \text{MeV/u}$.
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Fusión: $27 / 4 \approx 6{,}8\ \text{MeV/u}$.
La fusión rinde unas 8 veces más por unidad de masa. Su dificultad práctica: necesita temperaturas de millones de grados para que los núcleos venzan su repulsión eléctrica, y sostener un gas tan caliente en la Tierra, sin que toque las paredes, es un desafío técnico enorme.
En cada fisión de un núcleo de uranio-235 se liberan aproximadamente $200\ \text{MeV}$. 1. Expresá esa energía en joule con…
En cada fisión de un núcleo de uranio-235 se liberan aproximadamente $200\ \text{MeV}$.
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Expresá esa energía en joule con $1\ \text{MeV} = 1{,}6\times 10^{-13}\ \text{J}$.
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Un kilogramo de uranio-235 contiene unos $2{,}6\times 10^{24}$ núcleos. Calculá la energía que se liberaría si todos se fisionaran.
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Compará el resultado con los $4{,}6\times 10^{7}\ \text{J}$ que libera la combustión de un kilogramo de nafta.
Se dan los siguientes datos aproximados: fisión de un núcleo de U-235 (masa de unas 236 unidades de masa atómica antes de fisionarse): $200\ \text{MeV}$ liberados; ciclo…
Se dan los siguientes datos aproximados:
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fisión de un núcleo de U-235 (masa de unas 236 unidades de masa atómica antes de fisionarse): $200\ \text{MeV}$ liberados;
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ciclo protón-protón: $27\ \text{MeV}$ liberados al consumir 4 protones (4 unidades de masa atómica).
Calculá la energía liberada por unidad de masa atómica de combustible en cada proceso. Después, argumentá cuál de los dos procesos es más energético por cada reacción y cuál lo es por cada unidad de masa de combustible. Mencioná una dificultad práctica de la fusión controlada en la Tierra.
Radiactividad natural
No hace falta una central para encontrar núcleos que se rompen. Algunos núcleos, sobre todo los muy pesados, son inestables: están en un estado de energía más alto que el que podrían tener. Con el tiempo, y sin que nadie los toque, emiten partículas o radiación y pasan a un estado más estable. Eso es la radiactividad natural.
Ejemplos de materiales naturales radiactivos: el uranio y el torio presentes en ciertas rocas, y el potasio-40, que está en pequeñísima proporción en el potasio de nuestro propio cuerpo y de las bananas. Por eso vivimos con una dosis de radiación natural muy baja.
La energía no desaparece: la que tenía el núcleo inestable pasa a las partículas emitidas y a la radiación. La energía se conserva en cantidad, pero cada vez está más dispersa y es menos aprovechable.
Explicá qué es la radiactividad natural. Indicá qué tienen de particular los núcleos que la producen y qué ocurre con la energía en el proceso. Mencioná un ejemplo de…
Explicá qué es la radiactividad natural. Indicá qué tienen de particular los núcleos que la producen y qué ocurre con la energía en el proceso. Mencioná un ejemplo de material de la naturaleza que sea radiactivo.
Seguridad, residuos y accidentes
La fisión libera muchísima energía, pero también produce residuos radiactivos que siguen emitiendo radiación durante mucho tiempo. Por eso una central nuclear tiene varias barreras de seguridad: el combustible está en vainas metálicas, dentro de una vasija de acero y de un edificio de contención de hormigón. Además, las barras de control permiten frenar la reacción en cadena.
Los residuos deben guardarse aislados durante muchos años. En la Argentina, el debate sobre dónde ubicar un repositorio, como ocurrió con Gastre (Chubut), muestra que la decisión no es solo técnica: también pesan valores sociales, ambientales y políticos.
La fisión descontrolada tuvo consecuencias graves: las bombas de Hiroshima y Nagasaki, y el accidente de la central de Chernobyl, donde una falla de control liberó material radiactivo a la atmósfera. Estos casos muestran por qué mantener $k$ en 1 y la seguridad de una central es tan importante.
Resumen
Volvé al principio: unas pocas pastillas de uranio alcanzan para abastecer a Atucha porque cada fisión libera unos 200 MeV y cada pastilla contiene una cantidad enorme de núcleos.