Física de la fisión nuclear

Artículo escrito por: Santiago Ferrer Mur

La liberación de neutrones durante un proceso de fisión, tiene su base en un núcleo de uranio que, tras captar un neutrón, se escinde en dos fragmentos de fisión con números másicos comprendidos entre 95 y 140, debiendo tener dichos productos instantáneos una relación N/Z (recordemos que dicha relación aporta información sobre la asimetría numérica de nucleones) proporcional a la del producto madre. Por esta relación, volviendo a la gráfica de periodos de semidesintegración propuesta en el tema isotopos, se puede observar que dichas densidades neutrónicas no corresponden a una configuración estable de los fragmentos, debiendo estos si tienen energía de excitación suficiente, para estabilizarse, emitir neutrones.

De cualquier manera esta emisión de neutrones no produce la estabilización absoluta de los fragmentos, produciendo estos decaimiento beta negativo. Por término medio, los fragmentos de fisión experimentan tres etapas de desintegración radioactiva antes de tornarse en núcleos estables. Una reacción nuclear de este tipo produce una mezcla compleja de núclidos denominados productos de fisión que, tras sucesivas interacciones y desintegraciones, pueden llegar a tornarse instantáneamente en más de 200.

La energía liberada de la fisión de este núcleo se puede determinar de manera exacta determinando la disminución neta de masa partiendo de las correspondientes masas isotópicas, o bien, mediante un procedimiento sintético con cierta inexactitud que se describe a continuación.

Si se sabe que la energía por enlace de un nucleón de U-235 es de aproximadamente 7,6 MeV tenemos:

235 x 7,6 = 1786 MeV

Si comprendemos que los productos de fisión representan un grupo comprendido entre los números másicos 95 y 140, podemos usar como media la energía de enlace nucleónico del estaño-120, al cual corresponden aproximadamente 8,5 MeV tenemos:

235 x 8,5 = 1997,5 MeV

Si se restan la energía desarrollada por los fragmentos de fisión al potencial necesario para la fragmentación del U-235, se consigue, redondeando, un valor de 210 MeV, equivalente a 3,2 x 10^-4 ergios, equivalente a 3,2 x 10^-11 vatios/segundo.

A título comparativo, la combustión de un átomo de carbono-12 produce 4 eV, por lo que se puede apreciar claramente la enorme diferencia de efectividad de los procesos.

De esta energía producida por la fisión, más del 80% se presenta como energía cinética de los fragmentos de fisión, transformándose rápidamente en calor. El 20% restante se presenta como radiación gamma instantánea de los fragmentos excitados, energía cinética de los neutrones excitados, así como el decaimiento beta y emisión gamma gradual de los fragmentos radiactivos hacia su estabilización. Se presenta una relación aproximativa de estos potenciales:

Energía cinética 165 MeV
Neutrones 5 MeV
Desintegración beta 7 MeV
Emisión gamma 6 MeV
Neutrinos 10 MeV

Debido a que los neutrinos tienen una interacción imperceptible con la materia, escapan del reactor sin poder ser aprovechado su potencial térmico, pudiendo ser aprovechadas el resto de interacciones.