Fisión nuclear: definición, funcionamiento, usos y riesgos
Fisión nuclear: descubre qué es, cómo funciona, usos civiles y militares, beneficios energéticos y riesgos ambientales y de seguridad.
La fisión nuclear es un tipo de reacción nuclear en la que un núcleo atómico pesado se divide en dos (o más) núcleos más pequeños, liberando energía. Se produce cuando un átomo se rompe en átomos más pequeños. Algunas reacciones de fisión desprenden mucha energía y se utilizan en armas y reactores nucleares. La fisión nuclear fue descubierta en diciembre de 1938 por el químico nuclear alemán Otto Hahn y su ayudante Fritz Strassmann en Berlín, y su interpretación teórica fue clarificada poco después por Lise Meitner y Otto Frisch.
Qué es un átomo y por qué algunos se fisionan
Un átomo es la partícula más pequeña que compone un elemento químico (por ejemplo, hidrógeno, oxígeno, magnesio). Todos los átomos son muy pequeños. Los átomos están formados por tres componentes o partículas: protones, neutrones y electrones. Los protones y los neutrones están agrupados en una bola llamada núcleo, en el centro de cada átomo. Los electrones orbitan alrededor del núcleo en su "nube de electrones". Los elementos que tienen núcleos grandes, como el uranio y el plutonio, pueden fisionarse.
Cómo funciona la fisión
Si un núcleo atómico relativamente grande es golpeado por un neutrón de movimiento lento (un neutrón térmico), a veces se vuelve inestable y se rompe en dos núcleos más pequeños. Cuando el núcleo se rompe (o se fisiona) libera energía, principalmente en forma de rayos gamma y calor. También se liberan varios neutrones del núcleo. Parte de la energía procede de la diferencia de masa entre el núcleo original y la suma de los fragmentos; esa masa perdida se transforma en energía según la relación E = mc².
Algunos isótopos, como el U-235, el Pu-239 o el U-233, son especialmente capaces de mantener fisión al captar neutrones. En muchos diseños de reactor se usan moderadores (por ejemplo, agua ligera, agua pesada o grafito) para ralentizar los neutrones y aumentar la probabilidad de que provoquen más fisiones.
Reacción en cadena y control
En el caso de ciertos isótopos dicha fisión puede liberar varios neutrones. Si esos neutrones chocan luego con otros núcleos fisionables, harán que éstos se dividan y liberen aún más neutrones; esto puede repetirse y generar una reacción nuclear en cadena. Según la rapidez con que se liberen neutrones y provoquen nuevas fisiones, la reacción puede ser:
- Subcrítica: la reacción se apaga porque no se producen suficientes neutrones para mantenerla.
- Crítica: la reacción se mantiene estable, produciendo una potencia constante (estado buscado en reactores de potencia).
- Supercrítica: la reacción crece con rapidez y puede liberar enormes cantidades de energía en poco tiempo (estado buscado en bombas nucleares).
En un reactor nuclear civil el objetivo es mantener una reacción controlada y constante. Esto se logra con barras de control (que absorben neutrones, hechas de materiales como boro o cadmio), moderadores que ajustan la velocidad de los neutrones y sistemas de refrigeración que extraen el calor generado.
Usos de la fisión
La fisión nuclear tiene aplicaciones variadas:
- Generación de electricidad: en reactores nucleares el calor de la fisión hierve agua para producir vapor que mueve una turbina de vapor y genera electricidad.
- Aplicaciones militares: la fisión rápida y descontrolada se emplea en armas nucleares.
- Propulsión naval: submarinos y portaaviones pueden usar reactores compactos para propulsión y electricidad.
- Producción de isótopos: reactores producen radionúclidos usados en medicina (diagnóstico y terapia), agricultura e industria.
- Investigación científica: reactores y fuentes de neutrones se usan para estudios de materiales, física y química.
Riesgos y gestión de residuos
La fisión conlleva varios riesgos que es importante conocer:
- Radiación ionizante: los productos de fisión emiten radiación (beta, gamma) que puede dañar tejidos y aumentar el riesgo de cáncer.
- Accidentes: fallos en el control de la reacción o en el sistema de refrigeración pueden provocar liberaciones radiactivas (ejemplos históricos: Chernóbil, Fukushima) y contaminación del entorno.
- Residuos radiactivos: el combustible irradiado contiene productos de fisión de vidas medias cortas y largas. Su manejo exige aislamiento seguro durante decenas a miles de años; se almacenan en piscinas de enfriamiento y en contenedores secos, y se estudian opciones de reprocesamiento y depósitos geológicos profundos.
- Proliferación nuclear: la tecnología y materiales de fisión pueden usarse para fabricar armas nucleares si no hay controles internacionales adecuados.
- Impactos ambientales: además de la radiación, los reactores originan calor residual que puede afectar ecosistemas acuáticos y requieren grandes infraestructuras.
Medidas de seguridad y mitigación
Para reducir riesgos se aplican múltiples medidas:
- Diseño de reactores con múltiples barreras de contención (combustible, envoltura del reactor, edificio de contención).
- Sistemas redundantes y automáticos de apagado (SCRAM) y enfriamiento de emergencia.
- Monitoreo radiológico continuo y planes de evacuación y protección civil.
- Gestión segura del combustible gastado: enfriamiento en piscinas, almacenamiento en contenedores secos y proyectos de disposición en formación geológica estable.
- Controles internacionales y salvaguardias para prevenir la proliferación (por ejemplo, por la Agencia Internacional de la Energía Atómica).
Diferencia entre fisión y fusión
La fisión consiste en dividir núcleos pesados para liberar energía, mientras que la fusión une núcleos ligeros (como hidrógeno) para formar núcleos más pesados; la fusión libera energía en el proceso y es la reacción que alimenta al Sol. La fusión promete menos residuos radiactivos a largo plazo, pero todavía no se ha logrado a escala comercial controlada.
En resumen, la fisión nuclear es una fuente potente de energía con aplicaciones civiles y militares. Ofrece ventajas como la generación continua de electricidad sin emisiones directas de CO2, pero plantea desafíos importantes en seguridad, gestión de residuos y no proliferación. El funcionamiento práctico exige controles estrictos, diseños seguros y una gestión responsable de los materiales radiactivos.
Reproducir medios de comunicación Vídeo de introducción a la fisión nuclear.
El diagrama de fisión nuclear muestra un neutrón absorbido por un núcleo de uranio que se vuelve inestable y se divide en dos nuevos átomos con liberación de energía y algunos neutrones más.
Preguntas y respuestas
P: ¿Qué es la fisión nuclear?
R: La fisión nuclear es un tipo de reacción nuclear en la que un átomo se divide en átomos más pequeños, liberando energía en el proceso.
P: ¿Quién descubrió la fisión nuclear?
R: La fisión nuclear fue descubierta en diciembre de 1938 por el químico nuclear alemán Otto Hahn y su ayudante Fritz Strassmann en Berlín.
P: ¿De qué están formados los átomos?
R: Los átomos están formados por tres componentes o partículas: protones, neutrones y electrones. Los protones y los neutrones están agrupados en una bola llamada núcleo en el centro de cada átomo, mientras que los electrones orbitan alrededor del núcleo en su "nube de electrones".
P: ¿Qué elementos pueden someterse a fisión?
R: Los elementos que tienen núcleos grandes, como el uranio y el plutonio, pueden someterse a fisión.
P: ¿Cómo se produce una reacción en cadena durante la fisión nuclear?
R: Si un núcleo atómico (relativamente) muy grande es golpeado por un neutrón que se mueve lentamente, a veces se vuelve inestable y se rompe en dos núcleos. Cuando esto ocurre se libera energía así como algunos neutrones del núcleo. Si esos neutrones chocan después con otros átomos harán que éstos también se dividan, provocando una reacción en cadena que puede liberar enormes cantidades de energía.
P: ¿Qué se mide cuando se mide la energía liberada por la explosión de una bomba nuclear? R: La cantidad de energía liberada por la explosión de una bomba nuclear se mide en kilotones; un kilotón equivale a la energía de mil toneladas de TNT (trinitrotolueno).
P: ¿Cómo se utiliza el calor generado durante la fisión nuclear?
R: En un reactor nuclear, el calor generado durante la fisión nuclear debe producirse lentamente para crear calor que luego se utiliza para hervir el agua y convertirla en vapor que hace girar las turbinas de vapor para generar electricidad.
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