Fisión Nuclear

Si un núcleo masivo como el uranio-235 se rompe (fisión), entonces habrá un rendimiento neto de energía debido a que la suma de las masas de los fragmentos, será menor que la masa del núcleo de uranio. Si las masas de los fragmentos es igual o mayor que la del hierro en el pico de la curva de energía de enlace, entonces las partículas nucleares estarán mas fuertemente ligadas, de lo que estaban en el núcleo de uranio, y esa disminución de la masa tiene lugar en forma de energía según la ecuación de Einstein. Para elementos más ligeros que el hierro, la fusión producirá energía.

La fisión del U-235 en los reactores se desencadena por la absorción de un neutrón de baja energía, a menudo denominado "neutrón lento" o "neutrón térmico". Otros isótopos fisibles que pueden ser inducidos a la fisión por neutrones lentos son, el plutonio-239, el uranio-233 y el torio-232.

Fisión del Uranio-235

En uno de los fenómenos más notables en la naturaleza, un neutrón lento puede ser capturado por un núcleo de uranio-235, haciéndolo inestable y finalizando en una fisión nuclear. Un neutrón rápido no sería capturado, por lo que los neutrones debe ser frenados con moderación, para aumentar su probabilidad de captura en los reactores de fisión. Un evento de fisión simple, puede producir ¡más de 200 millones de veces, la energía del neutrón que lo provocó!.

El Uranio como Combustible

El uranio natural se compone de 0,72% de U-235 (el isótopo fisible), 99,27% de U-238, y trazas del 0,0055% de U-234 . El 0,72% de U-235, no es suficiente para producir una reacción en cadena crítica autosostenida, en los tipos de reactores de agua ligera de los EE.UU., aunque son usados en los reactores canadienses CANDU. En los reactores de agua ligera, el combustible debe estar enriquecido con el 2,5-3,5% de U-235.

El uranio se encuentra como óxido de uranio, que cuando se purifica tiene un color amarillo intenso llamada "torta amarilla". Después de la reducción, el uranio debe pasar por un proceso de enriquecimiento de isótopos. A pesar de la necesidad del enriquecimiento, tan sólo se necesitan unos 3 kg de uranio natural, para abastecer las necesidades energéticas de un americano durante un año.

Isótopos para la Fisión

En tanto que el uranio-235 es el isótopo fisible de origen natural, hay otros isótopos que pueden ser inducidos a la fisión mediante el bombardeo de neutrones. El plutonio-239 también es fisible por el bombardeo con neutrones lentos, y tanto él como el uranio-235, se han utilizado para fabricar bombas nucleares de fisión. El plutonio-239 puede ser producido "criándolo" a partir del uranio-238. El uranio-238, que representa el 99,3% del uranio natural, no es fisible por neutrones lentos. El U-238 tiene una pequeña probabilidad de fisión espontánea, y también una pequeña probabilidad de fisión al ser bombardeado con neutrones rápidos, pero no es útil como fuente de combustible nuclear. Algunos de los reactores nucleares de Hanford, Washington y de la planta de Savannah River (Carolina del Sur), están diseñados para la fabricación de bombas de plutonio-239. El Torio-232 es fisible, así que posiblemente podría ser utilizado como combustible nuclear. El único otro isótopo que se conoce que es fisible por el bombardeo de neutrones de fisión lento, es el uranio-233.

Historia de la Fisión del U-235

En la década de 1930, los físico-químicos alemanes Otto Hahn y Fritz Strassman, intentaron crear elementos transuránicos, mediante el bombardeo de uranio con neutrones. En lugar de los elementos pesados que esperaban, obtuvieron varios productos no identificados. Cuando finalmente identificaron uno de los productos como el bario-141, fueron reacios a publicar el hallazgo por ser tan inesperado. Cuando finalmente publicaron los resultados en 1939, estos llamaron la atención de Lise Meitner, una físico nacida en Austria, que había trabajado con Hahn en sus experimentos nucleares. Tras la invasión de Austria por Hitler, se vió obligada a huir a Suecia, donde ella y Otto Frisch, su sobrino, continuaron trabajando en el problema del bombardeo de neutrones. Ella fue la primera en darse cuenta de que el bario de Hahn, y otros productos más ligeros de los experimentos de bombardeo de neutrones, venían de la fisión del U-235. Frisch y Meitner llevaron a cabo otros experimentos, que demostraron que la fisión del U-235, producía una enorme cantidad de energía, y que la fisión producía al menos dos neutrones, por cada neutrón absorbido en la interacción. Se dieron cuenta de que esto originaba una reacción en cadena, con un rendimiento energético sin precedentes.