Fisión nuclear

Para poder obtener energía manipulando los núcleos de un o varios átomos podemos hacerlo de dos formas distintas: uniendo núcleos de átomosdistintos (entonces hablamos de fusión nuclear) o partiendo núcleos de un determinado átomo (caso de la fisión nuclear)

En energía nuclear llamamos fisión nuclear a la división del núcleo de un átomo. El núcleo se convierte en diversos fragmentos con una masa casi igual a la mitad de la masa original más dos o tres neutrones.

La suma de las masas de estos fragmentos es menor que la masa original. Esta 'falta' de masas (alrededor del 0,1 por ciento de la masa original) se ha convertido en energía según la ecuación de Einstein(E=mc²). En esta ecuación E corresponde a la energía obtenida, m a la masa de la que hablamos y c es una constante, la de la velocidad de la luz: 299.792.458 m/s².

La fisión nuclear puede ocurrir cuando unnúcleo de un átomo pesado captura un neutrón (fisión inducida), o puede ocurrir espontáneamente debido a la inestabilidad delisótopo (fisión espontánea).

Reacciones nucleares en cadena

Una reacción en cadena es un proceso mediante el cual losneutrones que se han liberado en una primera fisión nuclear producen una fisión adicional en al menos un núcleo más. Este núcleo, a su vez produce neutrones, y el proceso se repite.

Estas reacciones en cadena pueden ser controladas o incontroladas. Las reacciones controladas serian las reacciones nucleares producidas en centrales nucleares en que el objetivo es generar energía eléctrica de forma constante. Las reacciones nucleares incontroladas se dan en el caso de armas nucleares.

Si en cada fisión provocada por un neutrón se liberan dos neutrones más, entonces el número de fisiones se duplica en cada generación. En este caso, en 10 generaciones hay 1.024 fisiones y en 80 generaciones aproximadamente 6 x 10²³ fisiones.

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 neutrones están disponibles para continuar con la reacción de fisión; algunos se pierden. Si losneutrones 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.

Una esfera tiene la superficie mínima posible para una masa dada, y por tanto, reduce al mínimo la fuga de neutrones. Si además bordeamos el material fisionable con un reflector de neutrones se pierden muchos menos neutrones y se reduce la masa crítica.

La fisión nuclear controlada

Para mantener un control sostenido de reacción nuclear, por cada 2 o 3 neutrones puestos en libertad, sólo a uno se le debe permitir dar a otro núcleo de uranio. Si esta relación es inferior a uno entonces la reacción va a morir, y si es más grande va a crecer sin control (una explosión atómica). Para controlar la cantidad de neutrones libres en el espacio de reacción debe estar presente un elemento de absorción de neutrones. La mayoría de los reactores son controlados por medio de barras de control hechas de neutrones de un fuerte material absorbente, como el boro o el cadmio.

Además de la necesidad de capturar neutrones, los neutrones a menudo tienen mucha energía cinética (se mueven a gran velocidad). Estos neutrones rápidos se reducen a través del uso de un moderador, como el agua pesada y el agua corriente. Algunos reactores 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 barra de control.

Fisión nuclear espontánea

En este tipo de reacciones no es necesaria la absorción de un neutrón exterior. En determinadosisótopos del uranio, y sobretodo del plutonio, tienen una estructura atómica tan inestable que se fissiona espontáneamente.

La tasa de la fisión nuclear espontánea es la probabilidad por segundo que un átomo dado se fisione de forma espontánea - es decir, sin ninguna intervención externa. El plutonio 239 tiene una muy alta tasa de fisión espontánea en comparación con la tasa de fisión espontánea deuranio 235.