Fisión nuclear y fusión nuclear
Reacciones nucleares
En sentido genérico, se llama reacción nuclear a todo proceso en el que se produce una transformación de un núcleo atómico para producir otro núcleo de diferente naturaleza. El esquema general de una reacción nuclear es el siguiente:
El valor del balance energético de una reacción nuclear puede ser positivo, en cuyo caso la reacción se denomina exoenergética, o negativo, cuando se consume más energía que la que se libera, en reacciones denominadas endoenergéticas.
En la primera reacción nuclear inducida por medios artificiales (llevada a cabo en 1932), se bombardearon átomos de litio de número másico 7 con protones muy energéticos, para producir partículas alfa (núcleos de helio 4).
En la fisión nuclear por bombardeo de neutrones pueden producirse reacciones en cadena, como la que ilustra gráficamente la imagen.
Tipos de reacciones nucleares
En esencia, cabe distinguir dos tipos de reacciones nucleares:
- Fisión nuclear: aquella en la que un átomo relativamente pesado se descompone en otros más ligeros en una reacción que suele acompañarse de la emisión de partículas radiactivas y de producción de grandes cantidades de energía. Esta reacción es común en la fabricación de bombas nucleares y es la que se induce en las centrales nucleares actuales para la obtención de energía eléctrica. Puede provocar problemas ambientales derivados de la necesidad de transportar y almacenar los residuos radiactivos peligrosos que produce y conlleva a estrictos controles de seguridad.
- Fusión nuclear: aquella en la que se unen dos núcleos ligeros para formar otro más pesado. Este tipo de reacción es la que tiene lugar en el interior de las estrellas (en las llamadas reacciones termonucleares) y les proporciona su brillo y su producción energética. En la escala terrestre, los experimentos realizados sobre fusión nuclear se enfrentan a un problema de primer orden: la dificultad de controlar las enormes cantidades de energía que se manejan en el proceso. No obstante, se considera que es la fuente de energía del futuro, por cuanto no produce residuos radiactivos peligrosos y podría obtenerse de combustibles tan económicos como el deuterio (hidrógeno 2) del agua del mar.
Fisión nuclear
La primera reacción nuclear realizada en la historia de la humanidad fue la fisión nuclear. Este proceso consiste, en sentido estricto, en la descomposición de un núcleo pesado en otros dos núcleos de masa y número atómico aproximadamente igual a la mitad del núcleo original. Los átomos de partida en los procesos de fisión nuclear son el uranio 235 (un isótopo raro del uranio, presente en 1/140 partes en sus menas naturales) y el plutonio.
Gráfica del defecto o diferencia de masa frente al número másico.
Las reacciones de fisión son muy exoenergéticas, y su primera utilización histórica se produjo en la bomba atómica que cayó sobre Hiroshima (Japón) al final de la Segunda Guerra Mundial. Hoy día, la fisión nuclear se emplea con fines civiles (centrales nucleares), de transporte (propulsión nuclear) y militares (armamento atómico). La primera reacción de fisión autosostenida se logró en 1942 en la Universidad de Chicago, merced a los trabajos del equipo de este centro que dirigía el físico de origen italiano Enrico Fermi (1901-1954).
Un ejemplo clásico de reacción de fisión nuclear es la ruptura del núcleo de uranio 235 por bombardeo con neutrones lentos, para producir núcleos de bario 139 y kriptón 86, además de neutrones y una energía de salida de 175 MeV. El esquema de esta reacción es el siguiente:
Fusión nuclear
El proceso de fusión nuclear es conceptualmente inverso al de la fisión. En la fusión, dos núcleos ligeros se unen entre sí para constituir un átomo más pesado. El rendimiento energético de las reacciones de fusión es muy superior al de las de fisión. En términos de energía por nucleón, en la fisión se producen 0,74 MeV, mientras que en las reacciones de fusión esta cifra se eleva hasta 3,52 MeV.
La forma más típica de reacción de fusión nuclear es la conversión de dos núcleos de hidrógeno (uno de deuterio, o hidrógeno 2, y otro de tritio, o hidrógeno 3) en uno de helio, con emisión de un neutrón y una cantidad de energía muy elevada. El esquema de esta reacción es el siguiente:
La fusión nuclear, en diversas cadenas reactivas (protón-protón y ciclo del carbono), constituye la fuente de energía de las estrellas.
Bombas atómicas
Básicamente, se distinguen dos tipos de bombas nucleares: las de fisión y las de fusión. Las primeras utilizan uranio y plutonio como combustible, en un proceso de reacción en cadena que provoca una enorme fuerza explosiva. Por su parte, las bombas de fusión requieren una energía inicial de activación muy superior, aunque su potencia energética (y destructiva) es mucho mayor. A finales del siglo XX, había en el mundo siete países que reconocían estar en posesión de armamento nuclear: Estados Unidos, Rusia, China, Francia, el Reino Unido, la India y Pakistán.
Aceleradores de partículas
La mayoría de los procesos nucleares de investigación se realizan en aceleradores de partículas. Estos dispositivos elevan la energía cinética y la velocidad de las partículas atómicas y subatómicas de manera que facilitan el estudio de la estructura de los núcleos atómicos, sus interacciones y sus propiedades. Básicamente, existen dos categorías de aceleradores de partículas: lineales, también llamados linacs, y cíclicos, como los ciclotrones y los sincrotrones.
Fusión fría
A finales de la década de 1980, los científicos estadounidenses Martin Fleischmann y Stanley Pons anunciaron que habían llevado a cabo experimentos que demostraban la posibilidad de realizar reacciones nucleares de fusión a temperatura ambiente. Se subsanaría la necesidad de una energía de activación descomunal y muy difícil de controlar, y permitiría obtener una fuente de energía inagotable a un precio irrisorio. Sin embargo, las expectativas que había despertado esta noticia no se cumplieron: ningún equipo de investigación del mundo logró reproducir los resultados de Fleischmann y Pons, y la «fusión fría» fue considerada como uno de los grandes fraudes de la reciente historia científica.
Medicina nuclear
Se llama «nuclear» a la especialidad de la medicina que utiliza isótopos radiactivos para diagnosticar y tratar enfermedades. En esta disciplina médica se usan hoy día numerosas técnicas especializadas, que se aplican principalmente en el campo de la radiología. Algunos de los radioisótopos que se utilizan comúnmente como trazadores de diagnóstico y tratamiento son el yodo131, el fósforo 32 y el tecnecio 99. Asimismo, el cobalto 60 y el cesio 137 se emplean habitualmente en el tratamiento del cáncer.