La fissió nuclear és la reacció fisicoquímica mitjançant la qual es parteix el nucli d'un àtom. Mitjançant aquesta operació s'obté una gran quantitat d'energia.
El nucli dels àtoms estan compostos per altres sub partícules més petites: protons i neutrons. Depenent de l'element de la taula periòdica la composició d'aquestes subpartícules varia. Els protons tenen càrrega positiva, per tant tendeixen a repel·lir-. D'altra banda, els neutrons són neutres, és a dir, no tenen càrrega.
Les sub partícules de l'àtom es mantenen unides gràcies a una força nuclear que els manté cohesionats. La força nuclear és un centenar de vegades més intensa que la força electromagnètica .
El propòsit d'un procés de fissió nuclear és alterar aquest equilibri de forces, trencar aquesta força nuclear i permetre que els nucleons es separin.
Després de la fissió del nucli atòmic obtenim diversos fragments, dos o tres neutrons i l'emissió d'una gran quantitat d'energia. Aquests fragments es coneixen com a productes de fissió que a l'haver variat la seva composició de protons són elements químics diferents.
No s'ha de confondre la fissió amb la fusió nuclear, que és una forma d'obtenir energia a partir de la fusió de dos àtoms lleugers. Les reaccions que es produeixen al Sol són de fusió nuclear .
D'on prové l'energia de les reaccions de fissió?
En cada procés de fissió es produeix una pèrdua de massa: la suma de les masses dels productes de fissió és inferior a la massa original de l'àtom. La massa que falta es converteix en energia d'acord a l'equació d'Einstein:
E = m·c2
on:
-
I és l'energia obtinguda.
-
m és la massa "perduda"
-
c és una constant: la de la velocitat de la llum que és 299.792.458 m / s2.
L'energia resultant d'una reacció de fissió es presenta en forma de calor.
La fissió nuclear pot ocórrer quan un nucli d'un àtom pesat captura un neutró o espontàniament a causa de la inestabilitat de l'isòtop.
Quin és l'element químic que s'utilitza en una reacció de fissió nuclear?
El material utilitzat com a combustible nuclear té una estructura atòmica molt inestable. Generalment s'utilitzen isòtops d'urani i plutoni. Les característiques d'aquests àtoms és que són molt pesats, amb una gran quantitat de protons amb càrrega positiva en el nucli.
Els isòtops són àtoms d'un mateix element però amb diferent nombre de neutrons. Per exemple, l'isòtop de l'urani-235 és més inestable que l'urani natural.
Al tenir tants protons amb càrrega positiva al nucli li costa molt mantenir els enllaços de forces per mantenir-los units. Per aquest motiu, el xoc amb un únic neutró és suficient per desestabilitzar tota l'estructura i trencar-se.
Reaccions de fissió nuclear en cadena
Una reacció en cadena és un procés mitjançant el qual els neutrons que s'han alliberat en una primera fissió nuclear produeixen una fissió addicional en al menys un nucli més. Aquest nucli atòmic, es fissiona i allibera al seu torn més més neutrons ràpids donant l'oportunitat al fet que el procés es repeteixi.
Els neutrons són bons projectils per poder impactar el nucli perquè no tenen càrrega elèctrica i el nucli atòmic no els rebutja. Els neutrons ràpids poden passar a ser neutrons lents al xocar amb partícules d'un moderador. Els neutrons lents tenen més probabilitats d'impactar contra el nucli d'un altre àtom de combustible.
Aquestes reaccions en cadena poden ser controlades o incontrolades.
-
Les reaccions controlades són les que es produeixen en un reactor nuclear per generar energia elèctrica.
-
Las reacciones incontroladas producen la detonación de una bomba atómica.
¿Qué es la masa crítica?
La masa crítica es la cantidad mínima de material fisionable para que se mantenga una reacción nuclear en cadena.
Aunque en cada fisión nuclear se producen entre dos y tres neutrones, no todos los neutrones están disponibles para continuar con la reacción de fisión; algunos se pierden. Si los neutrones liberados por cada reacción nuclear se pierden a un ritmo más rápido de lo que se forman por la fisión, la reacción en cadena no será autosostenible y se detendrá.
La cantidad de masa crítica de un material fisionable depende de varios factores: propiedades físicas, propiedades nucleares, de su geometría y de su pureza.
¿Cómo se controlan las reacciones de fisión en cadena?
Para controlar la cantidad de neutrones libres en el espacio de reacción se utilizan elementos de absorción de neutrones. La mayoría de los reactores nucleares de potencia son controlados por medio de barras de control hechas de un material que tenga la propiedad de absorber neutrones libres, por ejemplo, boro o cadmio.
Además de la necesidad de capturar neutrones, los neutrones a menudo tienen mucha energía cinética. La velocidad de estos neutrones rápidos se reduce a través del uso de un moderador de neutrones, como el agua pesada y el agua corriente.
Algunos reactores nucleares utilizan grafito como moderador, pero este diseño tiene varios problemas. Una vez que los neutrones rápidos se han desacelerado, son más propensos a producir más fisiones nucleares o ser absorbidos por las barras de control.
Fisión nuclear espontánea
En les reaccions de fissió nuclear espontània no és necessària l'absorció d'un neutró.
La taxa de la fissió nuclear espontània és la probabilitat per segon que un àtom donat es fissioni de forma espontània. És a dir, sense cap intervenció externa. El plutoni 239 té una molt alta taxa de fissió espontània en comparació amb la taxa de fissió espontània d'urani 235.
Exemples de fissió nuclear
A continuació enumerem alguns exemples en què es produeixen reaccions de fissió nuclear:
-
En una central nuclear per generar electricitat.
-
A la propulsió d'un submarí nuclear.
-
A la detonació d'una bomba atòmica.
-
Obtenció d'àtoms de plutoni artificialment a partir d'un nucli d'urani.