FISIÓN Y FUSIÓN NUCLEAR

La fisión nuclear es un tipo de reacción en la cual un neutrón de cierta energía, interactúa o colisiona con un núcleo pesado (elemento químico de alto número atómico), particularmente un isótopo fisil. Esto trae como consecuencia la formación de un núcleo compuesto muy excitado e inestable, el cual inmediatamente se dividirá en dos núcleos más pequeños de tamaño parecido, y que a su vez eyectará de dos a tres neutrones más radiación Beta, Gamma y Neutrinos. Asimismo, esta reacción libera una gran cantidad de energía, aproximadamente 200 MeV, que puede ser transformada en energía térmica y luego en energía eléctrica.

Los neutrones liberados en la reacción de fisión pueden ocasionar más fisiones al interactuar con nuevos núcleos de isótopos físiles, lo que trae consigo un efecto multiplicador (reacción en cadena). Cabe mencionar que los neutrones que se liberan instantáneamente en la fisión tienen una energía promedio de 2 MeV (considerada alta energía), que luego es disminuida a aproximadamente 0,1 eV (considerada baja energía), gracias a la colisión de aquellos neutrones con las moléculas del moderador, el que generalmente es Agua Liviana.

El Moderador entonces es el elemento que se encarga de disminuir la velocidad o energía cinética de los neutrones que salen eyectados instantáneamente en la fisión de cada átomo de combustible. Los moderadores tienen la particularidad de poseer una baja masa atómica y no absorber neutrones, sino mas bien dispersarlos, siendo lo más utilizados el Agua Liviana (H2O), Agua Pesada (D2O), Grafito, Sodio Metálico, entre otros.

El combustible nuclear en los reactores de potencia (reactores diseñados para generar energía eléctrica), está compuesto también por Uranio-238 (combustible fértil), el cual tiene la capacidad decaer a Neptunio-239 luego de absorber un neutrón, que a su vez decae a Plutonio-239, el cual es isótopo físil.

Los combustibles nucleares pueden caracterizarse de la siguiente manera:

– Combustible Fisil: es el combustible que se puede fisionar con neutrones de cualquier nivel de energía, esto es, Uranio-233, Uranio-235, Plutonio-239, Plutonio-241.

– Combustible Fisionable: es el combustible que solo se fisiona con neutrones de alta energía. Ejemplo: U-238, Th-232, Pu-240, Pu-242.

– Combustible Fértil: U-238, Th-238 y Pu-240.

– Combustible No Fértil: Pu-242.

La Fisión Nuclear fue descubierta en 1938 por Otto Hahn y Fritz Strassmann, quienes detectaron elementos de pequeña masa en una muestra de uranio puro irradiado con neutrones. Este descubrimiento fue interpretado posteriormente por la austriaca Lise Meitner. Cabe mencionar que la primera reacción de fisión en cadena sostenida, fue generada en 1942 por el físico italiano Enrico Fermi en las instalaciones de la Universidad de Chicago.

Reactor Natural de Oklo Credit & Copyright: Robert D. Loss, WAISRC
Reactor Natural de Oklo
Credit & Copyright: Robert D. Loss, WAISRC

La fisión del núcleo atómico no es algo nuevo en la tierra; Paul Kuroda, en el año 1952 publicó un paper demostrando la posibilidad de la existencia de reacciones de fisión nuclear naturales en vetas de uranio, formadas millones de años atrás. En línea con lo anterior, en el año 1972, en Oklo, República de Gabón, un grupo de científicos descubren reminiscencias de un reactor natural en vetas de un depósito mineral de uranio lo que fue concordante con lo expuesto por Kuroda mucho tiempo atrás.

electricity-88450_1280Hoy en día, la fisión es usada principalmente para la generación de electricidad en reactores nucleares de potencia, en donde la reacción en cadena es controlada, pues el número de fisiones por segundo se mantiene constante gracias a elementos moderadores como el agua pesada, grafito, etc. y a elementos absorbedores de neutrones como el Boro, Cadmio o Gadolinio. Cabe mencionar que el combustible más usado en reactores nucleares para la generación de electricidad, es el uranio enriquecido al 3,5% (de Uranio-235).

La Fusión Nuclear es un tipo de reacción en donde dos núcleos atómicos se unen para formar un nuevo átomo con mayor masa atómica. Esta reacción trae consigo un desprendimiento de energía (3 a 4 veces mayor que en la fisión), ya que durante este proceso se pierde algo de masa que se convierte en energía.

Un gran ejemplo de este tipo de reacción es la que sucede en el Sol, donde isótopos del hidrógeno, como el deuterio (2H) y tritio (3H), se fisionan para formar helio (5He) por muy poco tiempo (10-14 s), el cual eyecta partículas (4He más un neutrón) y  radiación. Lo anterior implica que es necesario vencer la fuerza de repulsión electrostática entre los protones de los dos átomos a fusionar, lo que se logra con una elevada temperatura (15,7 millones de °K en el centro) y a elevada presión. Lograr esto de manera controlada en la Tierra ha sido el desafío durante décadas, pues no se puede fácilmente alcanzar la temperatura y presión elevada que existe en el interior del sol. Es por esto que se han desarrollado métodos de fusión termonuclear y por aceleración de partículas que son capaces de vencer la fuerza de repulsión coulómbica de los átomos (15 a 100 KeV), trayendo como resultado una liberación enorme de energía (4 a 20 MeV por fusión).

Modelo a escala del ITER
Modelo a escala del ITER

Actualmente se encuentran en investigación y desarrollo varios reactores nucleares de fusión por confinamiento magnético (Tokamak es el más popular), siendo el proyecto mas importante el ITER, un proyecto multinacional que busca la construcción y puesta en marcha de un reactor termonuclear de fusión durante los próximos años, el que es llevado a cabo por la Unión Europea, USA, China, India, Rusia, Corea del Sur y Japón.

Este tipo de reactores logran sobrecalentar un gas de deuterio y tritio hasta convertirlo en un plasma o gas ionizado a una temperatura mayor que la del centro solar (100 a 200 millones de °K), aislándose mediante campos magnéticos generados en el reactor. Hoy en día, la reacción por fusión todavía no es un proceso viable, ya que invierte más energía en el proceso de fusión que la energía obtenida mediante este método.

Este tipo de reacciones son muy atractivas como fuente de energía ya que el deuterio no es radiactivo y se encuentra de forma natural en el agua de mar (1/6500 del H2O), siendo prácticamente ilimitado. El tritio no se presenta de forma natural y se obtiene a partir de la irradiación del litio (6Li). Sin embargo, las investigaciones están básicamente centradas en las reacciones deuterio-tritio, debido a que liberan una mayor cantidad de energía y la temperatura a la que tiene lugar la fusión es considerablemente menor.