Fisión y Fusión Nuclear FÍS.

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Física

Fisión nuclear. Cuando los elementos químicos del Universo se formaron, hace algunos miles de millones de años -probablemente en el seno de una estrella que explotó-, una gran variedad de núcleos atómicos, correspondientes a aquéllos, iniciaron su existencia. Algunos eran estables y persistieron en la formación de nuestro sistema solar.

Unos pocos, como el uranio y el torio, poseen una vida media de unos miles de millones de años y, por tanto, todavía perduran en nuestro mundo conjuntamente con otros elementos de vida corta como, p. ej., el radio, el polonio, etc., producidos continuamente por desintegración de los primeros, aunque, seguramente, muchos de los otros núcleos originales eran inestables y desaparecieron en minutos, días, etc. Del uranio se conocen dos isótopos (v.); el principal U238 (número atómico 92, masa atómica 238) y el U92/235, isótopo raro en la proporción 1/140 del primero.

Se designa por neutrón térmico todo neutrón (v. PARTICULAS ELEMENTALES) suficientemente frenado por choques con la materia para que haya adquirido la velocidad de agitación térmica correspondiente a la temperatura del medio; esta velocidad corresponde en las condiciones usuales a una energía de 0,03 eV cuando un neutrón térmico es absorbido, a consecuencia de un choque nuclear, por un núcleo de Ug25, se produce generalmente una desintegración radiactiva (v. RADIACTIVIDAD) muy especial que se designa fisión (o escisión), descubierta por Hahn y Strassman en 1939, caracterizada por ciertas particularidades esenciales, a saber: 1° El núcleo U235 +n se escinde en dos o tres porciones parecidas, distribuyéndose la carga eléctrica del núcleo inicial. 2° Hay un gran desprendimiento de energía (del orden de 200 MeV), cuya mayor parte (160 MeV) consiste en energía cinética, adquirida por los fragmentos de fisión y que es resultante de la repulsión electrostática entre los fragmentos inicialmente muy próximos. 3° Además se desprenden de 1 a 3 neutrones suplementarios con una energía bastante importante, de 5 MeV en total; una pequeña fracción inferior al 1 % de estos neutrones se desprende con un retraso de algunos segundos, además de rayos y y neutrinos. En general, los núcleos se fisionan tanto más fácilmente cuanto mayor es su número de masa, aunque, mediante neutrones de energía suficientemente elevada, es posible fisionar elementos de número atómico menor que 92, tales como el bismuto (83), plomo (82), talio (81), oro (79), mercurio (80), etc. Sin embargo, estas fisiones tan sólo tienen un interés teórico, puesto que son endoenergéticas y, por tanto, es preciso consumir energía para provocarlas, cosa que no ocurre con las producidas en algunos isótopos del uranio y plutonio que son fisionables por neutrones lentos o térmicos, como ya hemos dicho.

Los elementos transuránidos y algunos isótopos del U se fisionan espontáneamente para hacerse más estables; el número de fisiones espontáneas por segundo en una cierta masa obedece a una ley exponencial, como los demás procesos radiactivos. La constante de desintegración crece al aumentar el número atómico y en el U natural es insignificante, pues por término medio solamente unos 23 núcleos por hora experimentan espontáneamente fisión en un gramo de U natural.

La reacción en cadena. El hecho de que la absorción de un neutrón, en las indicadas condiciones, provoque la liberación de tres neutrones por término medio, acarrea la posibilidad, para estos últimos, de liberar a su vez otros 9, después 27, etc., con tal de que intervengan en las nuevas fisiones. De este modo, es de esperar el desprendimiento de toda la energía de fisión de una cierta masa de átomos de U925 a razón de 200 MeV por átomo, o de 200.106 NeV por molécula-gramo (siendo N el número de Avogadro), o sea, 235 g. de U235. Como N electrones equivalen a 96.500 culombios, resultan 200-106-96.500 julios para 235 g. de U235 o sea, 210’3 julios, aproximadamente 47-1011, cal., equivalente al calor desprendido en la combustión de 600 t. de carbón mineral de buena calidad. Teniendo presente que cada átomo de este uranio posee, a la temperatura ordinaria, una energía térmica del orden de 0,03 eV, se ve que la energía desprendida en la fisión es unas 200106/0,03=7109 veces mayor que el contenido calorífico usual de la materia que ha experimentado la fisión.

Si se consigue este desprendimiento de energía de modo casi instantáneo (10-6 seg.), se obtiene la bomba atómica, conocida desde 1945, o un motor de energía nuclear, si se consigue mantener la fisión por tiempo ilimitado.

Fusión nuclear. Sabido es que las fuerzas o ligaduras que mantienen muy fuertemente unidas las partículas constituyentes del número atómico (nucleones) no son de naturaleza electromagnética, sino de muy corto alcance (del orden de 10-6 cms.), a las que Heisenberg (v.) denominó de intercambio o canje, pues tienen lugar por intercambio entre nucleones de la partícula llamada mesón 77 o pi ón. Por consideraciones en que no podemos entrar, se demuestra que la energía de ligadura entre nucleones para los elementos ligeros aumenta rápidamente a partir del hidrógeno, alcanza un máximo en las proximidades de la masa atómica 40 (níquel) y, después, disminuye lentamente.

Así, pues, la condensación del hidrógeno para formar aquel elemento (o sus próximos ferromagnéticos) debe suministrar la máxima energía entre todas las reacciones nucleares posibles, pero la de tal reacción difiere poco de la de fusión en helio (He) del hidrógeno o de sus isótopos pesados deuterio D o tritio Tr, cuyas reacciones son las de mayor sección eficaz, con emisión de las energías siguientes

He2+n+3,2 MeV

D+D~D+Tr---> He4+n+17,6 MeV ~Tr+p+4,0 MeV

Para poder obtener energía utilizable, las reacciones en cuestión deben originarse a altas temperaturas (reacciones termonucleares), durante el mayor tiempo posible y con las máximas densidades del gas empleado. Conseguidas tales condiciones, un gramo de deuterio (cuyo precio no llega a las 20 pesetas) puede quemarse nuclearmente, produciendo una energía equivalente a la que suministran cinco toneladas de carbón. Además, como el hidrógeno corriente contiene una parte de deuterio en 5.000, la cantidad del mismo almacenada en el mar es más que suficiente para subvenir a las necesidades de energía de la humanidad durante millones de años. Ésa es la razón del enorme interés puesto en domeñar la energía termonuclear en nuestros días, y que seguramente continuará durante décadas, a pesar de las ingentes dificultades con que se tropieza en la práctica para la realización de los costosísimos dispositivos (tales como el Stellarator) hasta ahora puestos en funcionamiento.

Primeras tentativas de reacciones termonucleares. Parece ser que los primeros ensayos en Norteamérica comenzaron en Los Álamos en 1946, aunque fueron considerados más bien como simples escarceos de orden secundario, sin resultados definitivos. Hacia 1951 se inició una renovación de actividades con diversos equipos de estudio; en Los Álamos con 1. L. Tuck, en Princeton con Lyman Spitzer y en la Universidad de California con R. Vollrath. Casi todos ellos trabajaban con descargas de alta tensión en el seno de gases ionizados (plasmas) contenidos en tubos toroidales atravesados por intensísimas corrientes (de decenas de miles de A); esta clase de descargas presentan la ventaja de cerrarse sobre sí mismas, con lo que se evitan las pérdidas por conducción en los electrodos que inevitablemente se producen en los tubos rectilíneos. El plasma de deuterio contenido en un tubo toroidal de vidrio constituye el secundario de un transformador (v.) con una sola espira, cuyo primario (o primarios, si son dos en serie) se alimenta por medio de una batería de gran capacidad, cargada mediante un generador de alta tensión; así se puede conseguir una buena adaptación de impedancias y, por consiguiente, una óptima transmisión de potencia entre aquel generador y el plasma. En Inglaterra, Cousins y Ware trabajaron también con descargas tóricas en 1951 a través de deuterio a gran presión, y, en Alemania, al finalizar la II Guerra mundial, Steenbeck trabajaba con un montaje tórico secreto (Wirbelrohr). En estas descargas toroidales se aprovecha el efecto de retracción (pnich ef fect), que toda corriente eléctrica ejerce sobre sí misma por efecto de su propio campo magnético, tendiendo a reducir su sección y permitiendo, así, que la altísima temperatura que adquiere el plasma al paso de tan intensas corrientes quede confinada, sin alcanzar las paredes del tubo de descarga. Este efecto de autoestricción o de botella magnética presenta el inconveniente de ser intrínsecamente inestable, como demostró el físico sueco Lundquist. Los académicos soviéticos Sajarov y Tamm fueron los primeros en sugerir, en 1950, el empleo de intensos campos magnéticos para el aislamiento térmico del plasma.

V. t.: ÁTOMO; FÍSICA NUCLEAR; IONIZACIÓN; NÚCLEO; RADIACTIVIDAD; REACTORES NUCLEARES.

J. BALTÁ ELÍAS.

BIBL.: F. GODED ECHEVERRÍA, Teoría de reactores y elementos de ingeniería nuclear, Madrid 1965; L. R. B. ELTON, Introducción a la teoría nuclear, Madrid 1964; Y. CHELET, La energía nuclear, Barcelona 1968; G. E. VILAR, El átomo y su energía, Montevideo 1967.