Reacciones nucleares: fusión, fisión y desintegración radioactiva
Descubre las reacciones nucleares: fusión, fisión y desintegración radioactiva; conceptos, mecanismos, aplicaciones energéticas y riesgos explicados de forma clara.
Una reacción nuclear es un proceso en el que interviene un núcleo atómico o más de un núcleo. Los tipos más comunes son
- La fusión nuclear, una reacción en la que chocan dos o más partículas. El resultado son nuevas partículas diferentes de las primeras.
- Fisión nuclear, un núcleo que se rompe en pedazos.
- La desintegración radiactiva, en la que un núcleo escupe algo, transformándose en otro tipo de núcleo.
En el caso de la radiactividad, la reacción es espontánea. La fisión y la fusión pueden realizarse a propósito, para liberar energía. Esta energía puede utilizarse para diferentes cosas, por ejemplo, para producir vapor (como en una central nuclear). También puede utilizarse como energía para una bomba.
En la figura del ejemplo, 6el Li se fusiona con el deuterio. Esto hace que el berilio se descomponga en dos partículas alfa.
Las reacciones nucleares se producen en el sol, en los reactores nucleares, en los aceleradores de partículas y en el espacio exterior. Aparte de desintegraciónradiactiva, en la Tierra se producen muy pocas reacciones nucleares, excepto en estos lugares especiales. Los reactores nucleares utilizan las reacciones nucleares para producir calor y electricidad. Los aceleradores a veces provocan reacciones nucleares para producir materiales radiactivos. Las partículas del espacio exterior provocan reacciones nucleares en la atmósfera terrestre que hacen que el aire sea ligeramente radiactivo.
Las reacciones nucleares se diferencian de las químicas en que no necesitan un catalizador. Además, la desintegración radiactiva no puede detenerse, acelerarse o ralentizarse.
Tipos principales y ejemplos
Resumen ampliado de los tres tipos enumerados:
- Fusión nuclear: proceso en el que núcleos ligeros se unen para formar un núcleo más pesado. En el Sol y otras estrellas esto ocurre mediante la cadena protón‑protón o el ciclo CNO, liberando gran cantidad de energía por la diferencia de energía de enlace. Ejemplos terrestres son la fusión de deuterio y tritio (D–T) o la fusión que involucra a 6el Li en ciertos diseños de reactores y bombas termonucleares.
- Fisión nuclear: un núcleo pesado (por ejemplo, U‑235 o Pu‑239) absorbe un neutrón y se fragmenta en dos núcleos más ligeros, además de neutrones adicionales y energía. Si los neutrones liberados provocan más fisiones se puede mantener una reacción en cadena, base de reactores y armas nucleares.
- Desintegración radiactiva: proceso espontáneo por el que un núcleo emite partículas o radiación y se transforma en otro núcleo. Tipos comunes: desintegración alfa (emisión de partículas alfa), beta (emisión de electrones o positrones) y gamma (radiación electromagnética de alta energía). Cada núcleo tiene una probabilidad de desintegrarse que se caracteriza por su vida media o periodo.
Principios físicos básicos
La energía liberada en las reacciones nucleares proviene de la diferencia entre las masas de los reactivos y los productos —la llamada defecto de masa— que, según la ecuación de Einstein E = mc², aparece como energía. La estabilidad de un núcleo depende de la relación entre protones y neutrones y de la energía de enlace por nucleón. Las leyes de conservación que rigen estas reacciones incluyen la conservación de la energía, el impulso, la carga eléctrica y el número leptonico (en procesos que involucran leptones).
Aplicaciones
- Generación eléctrica: los reactores nucleares usan la fisión controlada para calentar agua y producir vapor que mueve turbinas. También se investiga la fusión controlada (reactores experimentales) como fuente de energía limpia y abundante.
- Medicina: fuentes radiactivas y reacciones inducidas en aceleradores se usan para diagnóstico (trazadores), terapia (radioterapia) e higiene industrial.
- Industria y agricultura: esterilización, inspección por radiografía industrial y técnicas de irradiación para conservación de alimentos.
- Ciencias: datación radiométrica (p. ej. carbono‑14), producción de radioisótopos y estudios en física nuclear y de partículas.
- Defensa: armas nucleares basadas en fisión y en combinaciones de fisión‑fusión.
Ocurrencia natural
Además del Sol y otras estrellas, existen reacciones nucleares naturales en la Tierra en casos particulares: depósitos naturales de uranio tuvieron reacciones en cadena autósostenidas en el pasado (reactores naturales de Oklo), y los rayos cósmicos provocan reacciones en la atmósfera que generan isótopos como el 14C. En la superficie, fuera de zonas especiales, las reacciones inducidas son raras comparadas con las desintegraciones espontáneas.
Control, seguridad y protección radiológica
En los reactores nucleares se usan moderadores, barras de control y sistemas de refrigeración para controlar la tasa de fisión y extraer el calor de forma segura. La radiación ionizante puede dañar tejidos vivos y el ADN, por lo que la protección radiológica se basa en principios de:
- Tiempo: minimizar la exposición.
- Distancia: aumentar la separación de la fuente.
- Blindaje: materiales adecuados (plomo, hormigón, agua) para atenuar distintas radiaciones.
Las unidades comunes para medir la actividad y la dosis son el becquerel (Bq) para actividad (desintegraciones por segundo) y el sievert (Sv) para la dosis equivalente que refleja el daño biológico. También se usan curie (Ci) y rad/rem en sistemas antiguos.
Medición y técnicas experimentales
Las reacciones nucleares se estudian y detectan con detectores como contadores Geiger, detectores de centelleo, cámaras de ionización y espectrómetros de masas y de partículas en aceleradores. El estudio de secciones eficaces (probabilidad de interacción) y espectros de energía de partículas permite caracterizar las reacciones y diseñar aplicaciones seguras y eficientes.
Notas finales
Las reacciones nucleares ofrecen tanto enormes beneficios (energía, medicina, investigación) como riesgos (radiación, residuos, proliferación). Comprender los principios físicos, las medidas de control y las aplicaciones prácticas ayuda a utilizar estas tecnologías de forma responsable y segura.
Sobre cómo reacciona el litio con el deuterio.
Preguntas y respuestas
P: ¿Qué es una reacción nuclear?
R: Una reacción nuclear es un proceso en el que interviene un núcleo atómico o más de un núcleo. Puede implicar fusión nuclear, fisión y desintegración radiactiva.
P: ¿Cómo funciona la fusión nuclear?
R: La fusión nuclear se produce cuando dos o más partículas colisionan, dando lugar a nuevas partículas diferentes de las primeras.
P: ¿Cuál es el resultado de una reacción de fisión nuclear?
R: En una reacción de fisión nuclear, el núcleo se rompe en pedazos.
P: ¿En qué se diferencia la desintegración radiactiva de otros tipos de reacciones?
R: La desintegración radiactiva es espontánea y no necesita un catalizador como las reacciones químicas. Además, la desintegración radiactiva no puede detenerse, acelerarse ni ralentizarse.
P: ¿Dónde se producen las reacciones nucleares?
R: Las reacciones nucleares se producen en el sol, en reactores nucleares, en aceleradores de partículas y en el espacio exterior. En la Tierra sólo se producen principalmente en estos lugares especiales.
P: ¿Qué usos tiene la energía liberada por una reacción nuclear?
R: La energía liberada por una reacción nuclear puede utilizarse para fabricar vapor (como en una central nuclear) o como energía para bombas.
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