Energía atómica. Fisión y Fusión nuclear

Todo nuestro universo, desde las galaxias más lejanas, estrellas, planetas, asteroides, hasta el vapor de agua de las nubes de nuestra atmósfera o las partículas de sal que sazonan nuestros mares, pasando por todos los seres vivos, incluidos nosotros mismos, es decir absolutamente toda la materia conocida, tenga el tamaño, la forma y la densidad que tenga, está formada por átomos.

Los átomos constan de un núcleo central, o nucleón, conformado por protones (subpartículas con carga eléctrica positiva) y neutrones (no tienen carga eléctrica) fuertemente unidos entre sí, y de distintos orbitales, al rededor de ese núcleo, en los que se alojan los electrones (carga eléctrica negativa).

Existen 92 elementos químicos naturales distintos, 92 tipos de átomos, (más  otros 26 elementos sintéticos obtenidos en laboratorio), catalogados ordenadamente en la llamada Tabla Periódica de los Elementos, que no pueden ser descompuestos en otras sustancias más simples diferentes a ellos mismos.

Los átomos de esos 92 elementos básicos cuentan en sus núcleos con un número determinado de protones (es el número atómico, y se suele representar con la letra Z, del alemán:Zahl, que quiere decir número), que coincide siempre con el número de electrones que los orbita. Ese mismo número puede coincidir también con el de neutrones, aunque no siempre sucede así; cuando en un átomo el número de protones y el de neutrones no coincide, a ese elemento se le llama isótopo.

Así, el Hidrógeno (H), primer elemento del Sistema Periódico, tiene un único protón y un sólo electrón, el siguiente elemento: el Helio (He) tiene dos de cada, El Litio (Li) tres... Observando la Tabla Periódica comprobamos que el número atómico de cada elemento va aumentando progresivamente hasta llegar al Uranio (U), el elemento más pesado que podemos encontrar en estado natural, su Z es 92, es decir tiene 92 protones y 92 electrones.

Fisión

La fisión átomica, o nuclear, consiste en romper los núcleos de los átomos para separar sus protones y neutrones (que se hallan fuertemente ligados por la llamada  Fuerza Nuclear Fuerte) mediante un bombardeo controlado de neutrones libres. Aunque la fisión también puede inducirse lanzando otras cosas a los núcleos fisionables. Estas otras cosas pueden incluir protones, otros núcleos, o incluso fotones de gran energía en cantidades muy altas (porciones de rayos gamma). Cuanto mas pesados sean los núcleos (suma de protones y neutrones) de los átomos que se pretenden romper, o fisionar, más fácil será inducir la fisión.

La fisión en cualquier elemento más pesado que el hierro produce energía (reacción exotérmica), pero la fisión en cualquier elemento más liviano que el hierro requiere de energía (reacción endotérmica). Es por ésta razón que los elementos más frecuentemente usados para producir la fisión nuclear son el uranio y el plutonio. El uranio es el elemento natural más pesado; el plutonio experimenta desintegraciones espontáneas y tiene un período de vida limitado. Así pues, aunque otros elementos pueden ser utilizados, estos tienen la mejor combinación de abundancia y facilidad de fisión.

La masa crítica es la mínima cantidad de material requerida para que el material experimente una reacción nuclear en cadena. La masa crítica de un elemento fisionable depende de su densidad y de su forma física (barra larga, cubo, esfera, etc.). Puesto que los neutrones de la fisión se emiten en todas direcciones al azar, para maximizar las ocasiones de una reacción en cadena, los neutrones deberán viajar tan lejos como sea posible y de esa forma maximizar las posibilidades de que cada neutrón choque con otro núcleo. Así, una esfera es la mejor forma y la peor es probablemente una hoja aplanada, puesto que la mayoría de los neutrones volarían de la superficie de la hoja y no chocarían con otros núcleos.

Una reacción en cadena ocurre como sigue: un acontecimiento de fisión empieza lanzando 2 ó 3 neutrones  como subproductos. Estos neutrones se escapan en direcciones al azar y golpean a otros núcleos, incitandolos a experimentar también la fisión. Puesto que cada acontecimiento de fisión lanza 2 o más neutrones, y estos neutrones inducen otras fisiones, el proceso se acelera rápidamente y causa la reacción en cadena. El número de neutrones que escapan de una cantidad de uranio depende de su área superficial.

Solamente los materiales fisibles son capaces de sostener una reacción en cadena sin una fuente de neutrones externa.
Para que la reacción en cadena de fisión se lleve a cabo, es necesario adecuar la velocidad de los neutrones libres; es preciso "retrasarlos", ya que si impactan con gran velocidad sobre el núcleo del elemento fisible, puede que simplemente lo atraviesen o lo impacten y este no los absorba, para retrasarlos se les hace pasar a través de un material de peso atómico bajo, tal como un material hidrogenoso. El proceso de retraso o de moderación es simplemente una secuencia de colisiones elásticas entre las partículas de alta velocidad y las partículas prácticamente en reposo. El deuterio (isotopo de hidrógeno, más conocido como hidrógeno pesado) es el mejor moderador, desde el punto de vista tecnológico, para una reacción en cadena. Sin embargo se usan otros, como el grafito (un tipo de carbono), que es mucho más económico.

Las centrales nucleares utilizan la energía liberada en la fisión nuclear en forma de calor, para producir energía eléctrica. El proceso (basado en la antigua máquina de vapor) es el siguiente: 

Como combustible se utilizan barras de Uranio enriquecido al 4% con Uranio-235. El Uranio natural es mayoritariamente U-238, el que es fisionable es el U-235, que es un 0.71% del Uranio que se encuentra en la naturaleza, de ahí que solo un pequeño porcentaje del Uranio se aproveche y se requieran grandes cantidades de este para obtener una cantidad significativa de U-235.

Las barras con el U-235 se introducen en el reactor, y comienza un proceso de fisión. En el proceso, se desprende energía en forma de calor. Este calor, calienta unas tuberías de agua, y esta se convierte en vapor, que pasa por unas turbinas, haciéndolas girar. Estas a su vez, hacen girar un generador eléctrico, produciendo así electricidad. 

Los neutrones son controlados para que no explote el reactor mediante unas barras de control, que al introducirse, absorben neutrones, y disminuye el número de fisiones, con lo cual, dependiendo de cuántas barras de control se introduzcan, se generará más o menos energía. Normalmente, se introducen las barras de tal forma, que solo se produzca un neutrón por reacción de fisión, controlando de esta forma el proceso de fisión. Si todas las barras de control son introducidas, se absorben todos los neutrones, con lo cual se pararía el reactor. 

El reactor se refrigera, para que no se caliente demasiado y funda las protecciones, incluso cuando este esté parado, ya que la radiación hace que el reactor permanezca caliente.

Fusión

La fusión nuclear es el proceso, inverso a la fisión, por el cual varios núcleos atómicos de carga similar se unen y forman un núcleo más pesado. Simultáneamente se libera o absorbe una cantidad enorme de energía, que permite a la materia entrar en un estado plasmático.

La fusión de dos núcleos de menor masa que el hierro libera energía en general. Por el contrario, la fusión de núcleos más pesados que el hierro absorbe energía. En la fisión nuclear, estos fenómenos suceden en sentidos opuestos.

En el caso más simple de fusión, en el hidrógeno, dos protones deben acercarse lo suficiente para que la interacción nuclear fuerte pueda superar su repulsión eléctrica mutua y obtener la posterior liberación de energía. Este proceso está en fase de investigación actualmente debido a que, todavía hoy, no es un proceso viable, ya que se invierte más energía en el proceso para que se produzca la fusión, que la energía obtenida mediante este método.

La fusión, es un proceso natural en las estrellas, produciéndose reacciones nucleares por fusión debido a su elevadísima temperatura interior.Las estrellas están compuestas principalmente por Hidrógeno y Helio. El hidrógeno, en condiciones normales de temperatura, se repele entre sí cuando intentas unirlo (fusionarlo) a otro átomo de hidrógeno, debido a su repulsión electrostática. Para vencer esta repulsión electrostática, el átomo de hidrógeno debe chocar violentamente contra otro átomo de hidrógeno, fusionándose, y dando lugar a Helio, que no es fusionable. La diferencia de masa entre productos y reactivos es mayor que en la fisión, liberándose así una gran cantidad de energía (muchísimo mayor que en la fisión). Estos choques violentos, se consiguen con una elevada temperatura, que hace aumentar la velocidad de los átomos.

La primera reacción de fusión artificial, tuvo origen en la investigación militar, fue una bomba termonuclear (o también llamada bomba-H o de Hidrógeno), para obtener la temperatura adecuada que inicia el proceso de fusión (unos 20 millones de grados centígrados) se utilizó una bomba atómica.