Imagen 26. Fastfission. Dominio público.

En 1938 Otto Hahn y Fritz Stassmann bombardearon una muestra de uranio- 238 con neutrones, tratando de crear nuevos elementos. Entre los productos de la reacción nuclear, además de los elementos que esperaban, Np-239 y Pu-239, descubrieron dos elementos de masa media: el bario y el lantano. La interpretación de estos resultados fue hecha por Lise Meitner y Otto Frisch, quienes confirmaron que el uranio, tras absor­ber un neutrón, se había dividido en dos fragmentos menores. Dicho proceso se denominó fisión.

La fisión del ²³⁵U puede producirse por bombardeo con neutrones lentos (tam­bién llamados térmicos), según el esquema general:

donde corresponde a un estado excitado que, rápidamente, se divide en los fragmentos de fisión e , existiendo hasta 90 posibles "núcleos hijos" diferentes que han de satisfacer obviamente los principios de conservación de las reacciones nucleares (carga, energía, número másico...). El número de neutrones producidos es 2 o 3, según la naturaleza de los fragmentos e , como puede observarse en el siguiente caso particular:

Imagen 27. Fastfission. Dominio público.

La energía liberada en este tipo de reacciones de fisión es del orden de 200 MeV por átomo de uranio fisionado. La mayor parte de esta energía aparece en forma de energía cinética de los fragmentos de fisión.

Cada uno de los neutrones que se originan puede causar una nueva fisión, dando lugar a una reacción en cadena. La liberación de energía es cada vez mayor y, si no se controla, da lugar a una explosión nuclear.

La continuidad del proceso de fisión nuclear depende del material fisionable y de la cantidad del mismo. El U-235 absorbe un neutrón y se fisiona, no así el U-238 que lo absorbe y no se fisiona. Este es el motivo por el que no se produce una reacción en cadena en los depósitos naturales de uranio.

Una reacción en cadena autosostenida necesita que al menos uno de los neutrones emitidos en la fisión provoque una nueva fisión y así sucesivamente. Si los neutrones salen del material fisionable sin producir fisión alguna, la reacción se extingue. Este efecto depende del tamaño de la muestra de «combustible» nuclear. Existe un tamaño crítico de la muestra de material fisionable, al que corresponderá obviamente una masa crítica del mismo, por debajo de la cual la reacción en cadena terminará por extinguirse, mientras que por encima de la misma podría producirse una brutal liberación de energía, una explosión nuclear.

El reactor nuclear

Un reactor nuclear es un dispositivo diseñado para obtener energía nuclear de manera controlada, a partir de una reacción nu­clear en cadena autosostenida.

Animación 3. U.S.NCR. Dominio público.

El primer reactor nuclear fue construido por Enrico Fermí en 1942. Desde entonces se han diseñado reactores nucleares de diferentes tipos y tamaños, si bien todos poseen unos elementos comunes:

• Combustible nuclear.
• Moderador de neutrones.
• Elementos de control.

Por combustible nuclear entendemos un material fisionable. Un combustible nuclear típico es el ²³⁵U. El uranio natural debe en­riquecerse a fin de incrementar hasta un 3 % la abun­dancia del ²³⁵U y así hacerlo fisionable.

El ²³⁵U se fisiona fá­cilmente con neutrones lentos o térmicos. Sin embargo, los neutrones que se originan en ca­da fisión son rápidos. Los neutrones rápidos pueden chocar con núcleos de ²³⁸U, siendo absorbidos por éstos. Por tal motivo, el reactor debe contener algún tipo de material que frene o modere la velocidad de los neutrones rápidos origina­dos en la fisión del ²³⁵U, de manera que puedan producir nuevas fi­siones antes de ser absorbidos por el ²³⁸U. Dicho material se denomi­na moderador. Como moderador puede emplearse grafito o agua; en cualquier caso, las va­rillas de material fisionable se hallan rodeadas del moderador.

El objetivo del reactor nuclear es proporcionar energía Si la potencia que ha de suministrar ha de permanecer constante, entonces cada fisión debe dar lugar a un único neutrón capaz de provocar una nueva fisión. En tal caso, el reactor funciona críticamente, suministrando energía de manera estable.

El reactor se vuelve sub­crítico cuando se origina por término medio menos de un neutrón por núcleo fi­sionado. En este reactor la reacción en cadena no puede automante­nerse y llega un momento en que deja de proporcionar energía. Si produce más de un neutrón por fisión el reactor se hace supercrítico. En tal caso, el ritmo de producción de energía aumenta, pudiendo liberarse tal cantidad de energía que aca­be por fundir el núcleo del reactor (con la consiguiente fuga de material radiactivo).

Imagen 28. KKG. Creative commons.

El reactor debe funcionar en su estado crítico, lo que re­quiere elementos de control. Dicho control se logra introduciendo en el núcleo del reactor unas barras de control (generalmente de boro o cadmio) que tienen la finalidad de absorber neutrones cuando el reactor empiece a volverse supercrítico. Si el reactor se vuelve subcrítico, cabe la posibilidad de retirar total o parcialmente dichas barras hasta que se alcance de nuevo una situación crítica.

En la simulación puedes ver el efecto del moderador y de las barras de control. El moderador (y el refrigerante) es agua pesada que circula entre las barras del combustible (U-235). El moderador transforma los neutrones rápidos (rojos) en neutrones térmicos (grises) lentos. La barra de control absorbe neutrones reduciendo el número de reacciones de fisión. Moviendo el cursor de la izquierda puedes meter y sacar la barra de control.

Recarga combustible (Add Fuel) e introduce neutrones (Add Neutron). Se inicia la reacción en cadena. Modifica la posición de la barra de control. Recarga combustible (Replenish Fuel) o quita neutrones (Remove Neutron) y observa lo que sucede en cada caso.

Los reactores se llaman reproductores cuando se diseñan para producir más material fisionable del que consumen. Transforman U-238 en Pu-239 que es fisionable. Este proceso permite obtener combustible para las centrales nucleares. El inconveniente es que el plutonio-239 puede utilizarse para producir armas nucleares.