10.5 Fisión

La bomba atómica

La posibilidad de una reacción en cadena en el uranio, con su enorme liberación de energía, llevó a los científicos nucleares a concebir la fabricación de una bomba, una bomba atómica. (Estos descubrimientos tuvieron lugar en los años previos a la Segunda Guerra Mundial y muchos de los físicos europeos que participaron en ellos procedían de países que estaban siendo invadidos). El uranio natural contiene $\mathrm{99,3}\text{\%}$ de U-238 y solo $\mathrm{0,7}\text{\%}$ de U-235, y no produce una reacción en cadena. Para producir una reacción en cadena controlada y sostenible, el porcentaje de U-235 debe aumentarse hasta aproximadamente $50\text{\%}$. Además, la muestra de uranio debe ser lo suficientemente masiva como para que un neutrón típico tenga más probabilidades de inducir la fisión que de escapar. La masa mínima necesaria para que se produzca la reacción en cadena se denomina masa crítica. Cuando la masa crítica alcanza un punto en el que la reacción en cadena se vuelve autosostenible, es una condición conocida como criticidad. El diseño original requería dos piezas de U-235 por debajo de la masa crítica. Cuando una pieza en forma de bala se dispara contra la segunda, se supera la masa crítica y se produce una reacción en cadena.

Un obstáculo importante para la bomba de U-235 es la producción de una masa crítica de material fisible. Por ello, los científicos desarrollaron una bomba de plutonio-239 porque el Pu-239 es más fisible que el U-235 y, por lo tanto, requiere una masa crítica menor. La bomba se fabricó en forma de esfera con trozos de plutonio, cada uno por debajo de la masa crítica, en el borde de la esfera. Una serie de explosiones químicas dispararon simultáneamente los trozos de plutonio hacia el centro de la esfera. Cuando todas estas piezas de plutonio se juntaron, la combinación superó la masa crítica y produjo una reacción en cadena. Tanto las bombas de U-235 como las de Pu-239 se utilizaron en la Segunda Guerra Mundial. El desarrollo y la utilización de las armas atómicas siguen siendo dos de las cuestiones más importantes a las que se enfrenta la civilización humana.

Reactores nucleares de fisión

El primer reactor nuclear fue construido por Enrico Fermi en una pista de squash del campus de la Universidad de Chicago el 2 de diciembre de 1942. El propio reactor contenía U-238 enriquecido con $\mathrm{3,6}\text{\%}$ de U-235. Los neutrones producidos por la reacción en cadena se mueven demasiado rápido para iniciar reacciones de fisión. Una forma de ralentizarlos es encerrar todo el reactor en un baño de agua a alta presión. Los neutrones chocan con las moléculas de agua y se ralentizan lo suficiente como para ser utilizados en el proceso de fisión. Los neutrones ralentizados dividen más núcleos de U-235 y se produce una reacción en cadena. El ritmo de la reacción en cadena se controla mediante una serie de varillas de “control” de cadmio insertadas en el reactor. El cadmio es capaz de absorber un gran número de neutrones sin volverse inestable.

Un diseño de reactor nuclear, llamado reactor de agua presurizada, también puede utilizarse para generar electricidad (Figura 10.21). Un reactor de agua presurizada (a la izquierda en la figura) está diseñado para controlar la fisión de grandes cantidades de ${}^{235}\text{U}$. La energía liberada en este proceso es absorbida por el agua que fluye por las tuberías del sistema (el "bucle primario") y se produce vapor. Las varillas de control de cadmio ajustan el flujo de neutrones (la tasa de flujo de neutrones que pasa por el sistema) y, por lo tanto, controlan la reacción. En caso de que el reactor se sobrecaliente y el agua hierva, la reacción en cadena termina, ya que el agua se utiliza para termalizar los neutrones. (Este dispositivo de seguridad puede ser superado en circunstancias extremas). A continuación, el agua caliente a alta presión pasa por una tubería a un segundo depósito de agua a presión normal en el generador de vapor. El vapor producido en un extremo del generador de vapor llena una cámara que contiene una turbina. Este vapor está a una presión muy alta. Mientras tanto, un condensador de vapor conectado al otro lado de la cámara de la turbina mantiene el vapor a baja presión. Las diferencias de presión obligan a pasar el vapor por la cámara, que hace girar la turbina. La turbina, a su vez, alimenta un generador eléctrico.

Figura 10.21 Un reactor nuclear utiliza la energía producida en la fisión del U-235 para producir electricidad. La energía de una reacción de fisión nuclear produce vapor caliente a alta presión que hace girar una turbina. Cuando la turbina gira, se produce electricidad.

El principal inconveniente de un reactor de fisión son los residuos nucleares. La fisión del U-235 produce núcleos con vidas medias largas como el ${}^{236}\text{U}$, que debe ser almacenado. Estos productos no pueden verterse en los océanos ni dejarse en ningún lugar en el que puedan contaminar el medio ambiente, como el suelo, el aire o el agua. Muchos científicos creen que el mejor lugar para almacenar los residuos nucleares es el fondo de las antiguas minas de sal o el interior de las montañas estables.

Muchas personas temen que un reactor nuclear pueda explotar como una bomba atómica. Sin embargo, un reactor nuclear no contiene suficiente U-235 para hacerlo. Además, un reactor nuclear está diseñado para que el fallo de cualquier mecanismo del reactor haga que las varillas de control de cadmio caigan completamente en el reactor, deteniendo el proceso de fisión. Como demuestran las catástrofes de Fukushima y Chernóbil, estos sistemas pueden fallar. Los sistemas y procedimientos para evitar estas catástrofes son una prioridad importante para los defensores de la energía nuclear.

Si toda la energía eléctrica se produjera por fisión nuclear del U-235, las reservas conocidas de uranio de la Tierra se agotarían en menos de un siglo. Sin embargo, el suministro de material fisible de la Tierra puede ampliarse considerablemente mediante un reactor reproductor. Un reactor reproductor funciona por primera vez mediante la fisión del U-235, tal como se acaba de describir para el reactor de agua presurizada. Pero además de producir energía, algunos de los neutrones rápidos originados por la fisión del U-235 son absorbidos por el U-238, dando lugar a la producción de Pu-239 mediante el conjunto de reacciones

El Pu-239 es, a su vez, altamente fisible y, por tanto, puede utilizarse como combustible nuclear en lugar del U-235. Dado que el $\mathrm{99,3}\text{\%}$ del uranio natural es el isótopo U-238, el uso de los reactores reproductores debería aumentar nuestro suministro de combustible nuclear en aproximadamente un factor de 100. Los reactores reproductores ya están en funcionamiento en Gran Bretaña, Francia y Rusia. Los reactores reproductores también tienen inconvenientes. En primer lugar, los reactores reproductores producen plutonio, que puede producir graves problemas de salud pública si se filtra al medio ambiente. En segundo lugar, el plutonio puede utilizarse para construir bombas, lo que aumenta considerablemente el riesgo de proliferación nuclear.