Fisión nuclear

La fisión nuclear es una reacción en la que el núcleo de un átomo se divide en dos o más núcleos más pequeños. El proceso de fisión a menudo produce fotones gamma y libera una gran cantidad de energía incluso para los estándares energéticos de la descomposición radiactiva.

La fisión nuclear de elementos pesados ​​fue descubierta el lunes 19 de diciembre de 1938 por el químico alemán Otto Hahn y su asistente Fritz Strassmann en cooperación con la física austro-sueca Lise Meitner. Hahn entendió que había ocurrido un "estallido" de los núcleos atómicos. Meitner lo explicó teóricamente en enero de 1939 junto a su sobrino Otto Robert Frisch. Frisch nombró el proceso por analogía con la fisión biológica de las células vivas. Para los nucleidos pesados, es una reacción exotérmica que puede liberar grandes cantidades de energía tanto como radiación electromagnética como energía cinética de los fragmentos (calentando el material a granel donde tiene lugar la fisión). Al igual que la fusión nuclear, para que la fisión produzca energía, la energía de enlace total de los elementos resultantes debe ser mayor que la del elemento inicial.

La fisión es una forma de transmutación nuclear porque los fragmentos resultantes (o átomos hijos) no son el mismo elemento que el átomo padre original. Los dos (o más) núcleos producidos suelen ser de tamaños comparables pero ligeramente diferentes, normalmente con una relación de masa de productos de aproximadamente 3 a 2, para isótopos fisionables comunes. La mayoría de las fisiones son fisiones binarias (que producen dos fragmentos cargados), pero ocasionalmente (2 a 4 veces por 1000 eventos), se producen tres fragmentos cargados positivamente, en una fisión ternaria. El más pequeño de estos fragmentos en procesos ternarios varía en tamaño desde un protón hasta un núcleo de argón.

Aparte de la fisión inducida por un neutrón, aprovechada y explotada por humanos, una forma natural de decaimiento radiactivo espontáneo (que no requiere un neutrón) también se conoce como fisión y ocurre especialmente en isótopos de número de masa muy alto. La fisión espontánea fue descubierta en 1940 por Flyorov, Petrzhak y Kurchatov en Moscú, en un experimento destinado a confirmar que, sin el bombardeo de neutrones, la tasa de fisión del uranio era insignificante, como predijo Niels Bohr; no fue despreciable.

La composición impredecible de los productos (que varían de una manera probabilística amplia y algo caótica) distingue la fisión de los procesos de efecto túnel puramente cuánticos, como la emisión de protones, la desintegración alfa y la desintegración de cúmulos, que dan los mismos productos cada vez. La fisión nuclear produce energía para la energía nuclear e impulsa la explosión de armas nucleares. Ambos usos son posibles porque ciertas sustancias llamadas combustibles nucleares experimentan fisión cuando son golpeadas por neutrones de fisión y, a su vez, emiten neutrones cuando se rompen. Esto hace posible una reacción nuclear en cadena autosostenida, liberando energía a un ritmo controlado en un reactor nuclear o a un ritmo muy rápido e incontrolado en un arma nuclear. En su segunda publicación sobre fisión nuclear en febrero de 1939,

La cantidad de energía libre contenida en el combustible nuclear es millones de veces la cantidad de energía libre contenida en una masa similar de combustible químico como la gasolina, lo que hace que la fisión nuclear sea una fuente de energía muy densa. Sin embargo, los productos de la fisión nuclear son, en promedio, mucho más radiactivos que los elementos pesados ​​que normalmente se fisionan como combustible, y permanecen así durante mucho tiempo, lo que genera un problema de desechos nucleares. Las preocupaciones sobre la acumulación de desechos nucleares y el potencial destructivo de las armas nucleares son un contrapeso al deseo pacífico de utilizar la fisión como fuente de energía.

Resumen físico

Mecanismo

Desintegración radioactiva

La fisión nuclear puede ocurrir sin bombardeo de neutrones como un tipo de desintegración radiactiva. Este tipo de fisión (llamada fisión espontánea) es rara excepto en unos pocos isótopos pesados.

Reacción nuclear

En los dispositivos nucleares diseñados, esencialmente toda la fisión nuclear ocurre como una "reacción nuclear", un proceso impulsado por el bombardeo que resulta de la colisión de dos partículas subatómicas. En las reacciones nucleares, una partícula subatómica choca con un núcleo atómico y provoca cambios en él. Por lo tanto, las reacciones nucleares son impulsadas por la mecánica del bombardeo, no por el decaimiento exponencial relativamente constante y la vida media característica de los procesos radiactivos espontáneos.

Actualmente se conocen muchos tipos de reacciones nucleares. La fisión nuclear difiere de manera importante de otros tipos de reacciones nucleares en que puede amplificarse y, a veces, controlarse mediante una reacción nuclear en cadena (un tipo de reacción en cadena general). En tal reacción, los neutrones libres liberados por cada evento de fisión pueden desencadenar aún más eventos, que a su vez liberan más neutrones y provocan más fisión.

Los isótopos de elementos químicos que pueden sostener una reacción en cadena de fisión se denominan combustibles nucleares y se dice que son 'fisionables'. Los combustibles nucleares más comunes son el U (isótopo de uranio de número de masa 235 y de uso en reactores nucleares) y Pu (isótopo de plutonio de número de masa 239). Estos combustibles se descomponen en una gama bimodal de elementos químicos con masas atómicas centradas cerca de 95 y 135 u (productos de fisión). La mayoría de los combustibles nucleares se someten a una fisión espontánea muy lentamente, y en su lugar se descomponen principalmente a través de una cadena de desintegración alfa-beta durante períodos de milenios a eones. En un reactor nuclear o arma nuclear, la gran mayoría de los eventos de fisión son inducidos por el bombardeo con otra partícula, un neutrón, que a su vez es producido por eventos de fisión anteriores.

La fisión nuclear en combustibles fisionables es el resultado de la energía de excitación nuclear que se produce cuando un núcleo fisionable captura un neutrón. Esta energía, resultante de la captura de neutrones, es el resultado de la fuerza de atracción nuclear que actúa entre el neutrón y el núcleo. Basta con deformar el núcleo en una "gota" de dos lóbulos, hasta el punto de que los fragmentos nucleares superan las distancias a las que la fuerza nuclear puede mantener juntos dos grupos de nucleones cargados y, cuando esto sucede, los dos fragmentos completan su separación. y luego se separan más por sus cargas mutuamente repulsivas, en un proceso que se vuelve irreversible a medida que aumenta la distancia. Un proceso similar ocurre en los isótopos fisionables (como el uranio-238), pero para fisionar,

El modelo de gota líquida del núcleo atómico predice productos de fisión de igual tamaño como resultado de la deformación nuclear. Se necesita el modelo de capa nuclear más sofisticado para explicar mecánicamente la ruta hacia el resultado energéticamente más favorable, en el que un producto de fisión es ligeramente más pequeño que el otro. Maria Goeppert Mayer ha formulado una teoría de la fisión basada en el modelo de caparazón.

El proceso de fisión más común es la fisión binaria, y produce los productos de fisión mencionados anteriormente, a 95±15 y 135±15 u. Sin embargo, el proceso binario ocurre simplemente porque es el más probable. En cualquier lugar de 2 a 4 fisiones por 1000 en un reactor nuclear, un proceso llamado fisión ternaria produce tres fragmentos cargados positivamente (más neutrones) y el más pequeño de estos puede tener una carga y una masa tan pequeñas como un protón (Z = 1), a un fragmento tan grande como el argón (Z = 18). Sin embargo, los fragmentos pequeños más comunes están compuestos por un 90% de núcleos de helio-4 con más energía que las partículas alfa de la desintegración alfa (las llamadas "alfas de largo alcance" a ~ 16 MeV), más núcleos de helio-6 y tritones (los núcleos de tritio). El proceso ternario es menos común, pero aun así termina produciendo una acumulación significativa de gas helio-4 y tritio en las barras de combustible de los reactores nucleares modernos.

Energéticos

Aporte

La fisión de un núcleo pesado requiere una energía de entrada total de alrededor de 7 a 8 millones de electronvoltios (MeV) para superar inicialmente la fuerza nuclear que mantiene al núcleo en una forma esférica o casi esférica y, a partir de ahí, deformarlo en dos. forma lobulada ("cacahuete") en la que los lóbulos pueden seguir separándose entre sí, empujados por su carga positiva mutua, en el proceso más común de fisión binaria (dos productos de fisión cargados positivamente + neutrones). Una vez que los lóbulos nucleares han sido empujados a una distancia crítica, más allá de la cual la fuerza fuerte de corto alcance ya no puede mantenerlos juntos, el proceso de su separación procede de la energía de la repulsión electromagnética (de mayor alcance) entre los fragmentos. El resultado son dos fragmentos de fisión que se alejan uno del otro, a alta energía.

Alrededor de 6 MeV de la energía de entrada de la fisión son suministrados por la simple unión de un neutrón adicional al núcleo pesado a través de la fuerza fuerte; sin embargo, en muchos isótopos fisionables, esta cantidad de energía no es suficiente para la fisión. El uranio-238, por ejemplo, tiene una sección transversal de fisión cercana a cero para neutrones de menos de un MeV de energía. Si no se suministra energía adicional por ningún otro mecanismo, el núcleo no se fisionará, sino que simplemente absorberá el neutrón, como sucede cuando el U-238 absorbe neutrones lentos e incluso una fracción de neutrones rápidos, para convertirse en U-239. La energía restante para iniciar la fisión puede ser suministrada por otros dos mecanismos: uno de ellos es más energía cinética del neutrón entrante, que es cada vez más capaz de fisionar un núcleo pesado fisionable a medida que excede una energía cinética de un MeV o más (por lo tanto, llamados neutrones rápidos). Estos neutrones de alta energía pueden fisionar el U-238 directamente (ver arma termonuclear para su aplicación, donde los neutrones rápidos son suministrados por fusión nuclear). Sin embargo, este proceso no puede ocurrir en gran medida en un reactor nuclear, ya que una fracción demasiado pequeña de los neutrones de fisión producidos por cualquier tipo de fisión tiene suficiente energía para fisionar eficientemente el U-238 (los neutrones de fisión tienen una energía modal de 2 MeV, pero una mediana de solo 0,75 MeV, lo que significa que la mitad de ellos tienen menos de esta energía insuficiente).

Sin embargo, entre los elementos actínidos pesados, los isótopos que tienen un número impar de neutrones (como el U-235 con 143 neutrones) unen un neutrón adicional con 1 a 2 MeV adicionales de energía sobre un isótopo del mismo elemento con un número par. número de neutrones (como el U-238 con 146 neutrones). Esta energía de enlace adicional está disponible como resultado del mecanismo de los efectos de emparejamiento de neutrones. Esta energía adicional resulta del principio de exclusión de Pauli que permite que un neutrón adicional ocupe el mismo orbital nuclear que el último neutrón en el núcleo, de modo que los dos formen un par. En tales isótopos, por lo tanto, no se necesita energía cinética de neutrones, ya que toda la energía necesaria es suministrada por la absorción de cualquier neutrón, ya sea de la variedad lenta o rápida (los primeros se usan en reactores nucleares moderados, y los segundos se usan en reactores nucleares rápidos). -reactores de neutrones, y en armas). Como se señaló anteriormente, el subgrupo de elementos fisionables que pueden fisionarse de manera eficiente con sus propios neutrones de fisión (lo que podría causar una reacción nuclear en cadena en cantidades relativamente pequeñas del material puro) se denominan "fisionables". Ejemplos de isótopos fisionables son el uranio-235 y el plutonio-239.

Producción

Los eventos típicos de fisión liberan alrededor de doscientos millones de eV (200 MeV) de energía, el equivalente a aproximadamente >2 billones de kelvin, por cada evento de fisión. El isótopo exacto que se fisiona, y si es o no fisionable o fisionable, tiene solo un pequeño impacto en la cantidad de energía liberada. Esto se puede ver fácilmente al examinar la curva de energía de enlace (imagen a continuación) y observar que la energía de enlace promedio de los nucleidos de actínidos que comienzan con el uranio es de alrededor de 7,6 MeV por nucleón. Mirando más a la izquierda en la curva de energía de enlace, donde se agrupan los productos de fisión, se observa fácilmente que la energía de enlace de los productos de fisión tiende a centrarse alrededor de 8,5 MeV por nucleón. Por lo tanto, en cualquier evento de fisión de un isótopo en el rango de masa del actínido, se liberan aproximadamente 0,9 MeV por nucleón del elemento inicial. La fisión de U235 por un neutrón lento produce una energía casi idéntica a la fisión de U238 por un neutrón rápido. Este perfil de liberación de energía también es válido para el torio y los diversos actínidos menores.

Por el contrario, la mayoría de las reacciones químicas de oxidación (como la quema de carbón o TNT) liberan como máximo unos pocos eV por evento. Por lo tanto, el combustible nuclear contiene al menos diez millones de veces más energía utilizable por unidad de masa que el combustible químico. La energía de la fisión nuclear se libera como energía cinética de los productos y fragmentos de fisión, y como radiación electromagnética en forma de rayos gamma; en un reactor nuclear, la energía se convierte en calor cuando las partículas y los rayos gamma chocan con los átomos que componen el reactor y su fluido de trabajo, generalmente agua u ocasionalmente agua pesada o sales fundidas.

Cuando un núcleo de uranio se fisiona en dos fragmentos de núcleos hijos, alrededor del 0,1 por ciento de la masa del núcleo de uranio aparece como energía de fisión de ~200 MeV. Para el uranio-235 (energía de fisión media total de 202,79 MeV), normalmente ~169 MeV aparece como la energía cinética de los núcleos hijos, que se separan a aproximadamente el 3% de la velocidad de la luz, debido a la repulsión de Coulomb. Además, se emite una media de 2,5 neutrones, con una energía cinética media por neutrón de ~2 MeV (un total de 4,8 MeV).La reacción de fisión también libera ~7 MeV en fotones rápidos de rayos gamma. Esta última cifra significa que una explosión de fisión nuclear o un accidente de criticidad emite alrededor del 3,5 % de su energía en forma de rayos gamma, menos del 2,5 % de su energía en forma de neutrones rápidos (total de ambos tipos de radiación ~ 6 %) y el resto en forma cinética. energía de los fragmentos de fisión (esto aparece casi inmediatamente cuando los fragmentos impactan con la materia circundante, como simple calor). En una bomba atómica, este calor puede servir para elevar la temperatura del núcleo de la bomba a 100 millones de kelvin y provocar una emisión secundaria de rayos X suaves, que convierten parte de esta energía en radiación ionizante. Sin embargo, en los reactores nucleares, la energía cinética del fragmento de fisión permanece como calor a baja temperatura, lo que en sí mismo provoca poca o ninguna ionización.

Se han construido las llamadas bombas de neutrones (armas de radiación mejorada) que liberan una fracción mayor de su energía como radiación ionizante (específicamente, neutrones), pero todos estos son dispositivos termonucleares que dependen de la etapa de fusión nuclear para producir la radiación adicional. La dinámica energética de las bombas de fisión pura siempre se mantiene en torno al 6% de rendimiento del total en radiación, como consecuencia inmediata de la fisión.

La fisión rápida totalla energía asciende a aproximadamente 181 MeV, o ~ 89% de la energía total que finalmente se libera por fisión con el tiempo. El ~ 11% restante se libera en desintegraciones beta que tienen varias vidas medias, pero comienzan como un proceso en los productos de fisión de inmediato; y en las emisiones gamma retardadas asociadas con estas desintegraciones beta. Por ejemplo, en el uranio-235 esta energía retardada se divide en aproximadamente 6,5 MeV en betas, 8,8 MeV en antineutrinos (liberados al mismo tiempo que los betas) y, finalmente, 6,3 MeV adicionales en emisión gamma retardada de los beta-excitados. productos de desintegración (para una media total de ~10 emisiones de rayos gamma por fisión, en total). Por lo tanto, aproximadamente el 6,5% de la energía total de fisión se libera algún tiempo después del evento, como radiación ionizante no inmediata o retardada, y la energía ionizante retardada se divide aproximadamente por igual entre la energía de rayos gamma y beta.

En un reactor que ha estado en funcionamiento durante algún tiempo, los productos de fisión radiactivos se habrán acumulado en concentraciones de estado estacionario tales que su tasa de desintegración sea igual a su tasa de formación, de modo que su contribución total fraccionaria al calor del reactor (a través de la desintegración beta) es lo mismo que estas contribuciones fraccionarias radioisotópicas a la energía de fisión. En estas condiciones, el 6,5% de la fisión que aparece como radiación ionizante retardada (gammas y betas retardadas de los productos de fisión radiactiva) contribuye a la producción de calor del reactor en estado estacionario bajo potencia. Es esta fracción de salida la que permanece cuando el reactor se apaga repentinamente (sufre una parada de emergencia). Por esta razón, la producción de calor de decaimiento del reactor comienza en el 6,5% de la potencia de fisión en estado estacionario del reactor completo, una vez que se apaga el reactor. Sin embargo, en cuestión de horas, debido a la descomposición de estos isótopos, la salida de energía de descomposición es mucho menor. Ver calor de descomposición para más detalles.

El resto de la energía retardada (8,8 MeV/202,5 ​​MeV = 4,3% de la energía de fisión total) se emite como antineutrinos, que en la práctica no se consideran "radiación ionizante". La razón es que la energía liberada como antineutrinos no es capturada por el material del reactor en forma de calor y escapa directamente a través de todos los materiales (incluida la Tierra) a casi la velocidad de la luz y al espacio interplanetario (la cantidad absorbida es minúscula). La radiación de neutrinos normalmente no se clasifica como radiación ionizante, porque no se absorbe casi en su totalidad y, por lo tanto, no produce efectos (aunque el muy raro evento de neutrinos es ionizante). Casi todo el resto de la radiación (6,5% de radiación beta y gamma retardada) finalmente se convierte en calor en el núcleo de un reactor o su blindaje.

Algunos procesos que involucran neutrones son notables por absorber o finalmente producir energía; por ejemplo, la energía cinética de neutrones no produce calor inmediatamente si el neutrón es capturado por un átomo de uranio-238 para generar plutonio-239, pero esta energía se emite si el plutonio-239 luego se fisiona. Por otro lado, los llamados neutrones retardados emitidos como productos de desintegración radiactiva con vidas medias de hasta varios minutos, de los hijos de fisión, son muy importantes para el control del reactor, porque dan un tiempo de "reacción" característico para la reacción nuclear total. para duplicar su tamaño, si la reacción se ejecuta en una zona "crítica retardada" que deliberadamente depende de estos neutrones para una reacción en cadena supercrítica (una en la que cada ciclo de fisión produce más neutrones de los que absorbe). Sin su existencia, la reacción nuclear en cadena sería rápidamente crítica y aumentaría de tamaño más rápido de lo que podría ser controlada por la intervención humana. En este caso, los primeros reactores atómicos experimentales se habrían escapado a una "reacción crítica rápida" peligrosa y desordenada antes de que sus operadores pudieran apagarlos manualmente (por esta razón, el diseñador Enrico Fermi incluyó barras de control activadas por contador de radiación, suspendidas por electroimanes, que podrían caer automáticamente en el centro de Chicago Pile-1). Si estos neutrones retardados son capturados sin producir fisiones, también producen calor. antes de que sus operadores pudieran apagarlos manualmente (por esta razón, el diseñador Enrico Fermi incluyó barras de control activadas por contador de radiación, suspendidas por electroimanes, que podrían caer automáticamente en el centro de Chicago Pile-1). Si estos neutrones retardados son capturados sin producir fisiones, también producen calor. antes de que sus operadores pudieran apagarlos manualmente (por esta razón, el diseñador Enrico Fermi incluyó barras de control activadas por contador de radiación, suspendidas por electroimanes, que podrían caer automáticamente en el centro de Chicago Pile-1). Si estos neutrones retardados son capturados sin producir fisiones, también producen calor.

Producto de núcleos y energía de enlace.

En la fisión, existe una preferencia por producir fragmentos con números pares de protones, lo que se denomina efecto par-impar en la distribución de carga de los fragmentos. Sin embargo, no se observa ningún efecto par-impar en la distribución del número de masa de fragmentos. Este resultado se atribuye a la ruptura del par de nucleones.

En los eventos de fisión nuclear, los núcleos pueden romperse en cualquier combinación de núcleos más ligeros, pero el evento más común no es la fisión a núcleos de igual masa de alrededor de 120 de masa; el evento más común (según el isótopo y el proceso) es una fisión ligeramente desigual en la que un núcleo hijo tiene una masa de alrededor de 90 a 100 u y el otro de 130 a 140 u. Las fisiones desiguales son energéticamente más favorables porque esto permite que un producto esté más cerca del mínimo energético cerca de la masa 60 u (solo una cuarta parte de la masa fisionable promedio), mientras que el otro núcleo con masa 135 utodavía no está muy lejos del rango de los núcleos más estrechamente unidos (otra afirmación de esto es que la curva de energía de enlace atómico es ligeramente más pronunciada a la izquierda de la masa 120 u que a la derecha).

Origen de la energía activa y la curva de energía de enlace.

La fisión nuclear de elementos pesados ​​produce energía aprovechable porque la energía de enlace específica (energía de enlace por masa) de núcleos de masa intermedia con números atómicos y masas atómicas cercanas a Ni y Fe es mayor que la energía de enlace específica de nucleón de núcleos muy pesados, por lo que esa energía se libera cuando los núcleos pesados ​​se rompen. Las masas totales en reposo de los productos de fisión ({ Displaystyle MP}) de una sola reacción es menor que la masa del núcleo de combustible original ({ estilo de visualización M}). el exceso de masa{ estilo de visualización Delta m = M-Mp}es la masa invariante de la energía que se libera en forma de fotones (rayos gamma) y la energía cinética de los fragmentos de fisión, según la fórmula de equivalencia masa-energía E = mc.

La variación de la energía específica de enlace con el número atómico se debe a la interacción de las dos fuerzas fundamentales que actúan sobre los nucleones componentes (protones y neutrones) que forman el núcleo. Los núcleos están unidos por una fuerza nuclear de atracción entre los nucleones, que supera la repulsión electrostática entre los protones. Sin embargo, la fuerza nuclear actúa solo en rangos relativamente cortos (unos pocos diámetros de nucleón), ya que sigue un potencial de Yukawa que decae exponencialmente, lo que lo hace insignificante a distancias más largas. La repulsión electrostática es de mayor alcance, ya que decae por una regla del inverso del cuadrado, de modo que los núcleos de más de 12 nucleones de diámetro alcanzan un punto en el que la repulsión electrostática total supera la fuerza nuclear y hace que sean espontáneamente inestables. Por la misma razón, los núcleos más grandes (más de unos ocho nucleones de diámetro) están menos unidos por unidad de masa que los núcleos más pequeños; romper un núcleo grande en dos o más núcleos de tamaño intermedio libera energía.

También debido al corto alcance de la fuerte fuerza de enlace, los núcleos grandes y estables deben contener proporcionalmente más neutrones que los elementos más ligeros, que son más estables con una proporción de 1 a 1 de protones y neutrones. Los núcleos que tienen más de 20 protones no pueden ser estables a menos que tengan más del mismo número de neutrones. Los neutrones adicionales estabilizan los elementos pesados ​​porque se suman a la unión de fuerza fuerte (que actúa entre todos los nucleones) sin aumentar la repulsión protón-protón. Los productos de fisión tienen, en promedio, aproximadamente la misma proporción de neutrones y protones que su núcleo principal y, por lo tanto, generalmente son inestables a la desintegración beta (que cambia los neutrones a protones) porque tienen proporcionalmente demasiados neutrones en comparación con isótopos estables de masa similar.

Esta tendencia de los núcleos de productos de fisión a sufrir una desintegración beta es la causa fundamental del problema de los desechos radiactivos de actividad alta de los reactores nucleares. Los productos de fisión tienden a ser emisores beta, que emiten electrones de movimiento rápido para conservar la carga eléctrica, ya que el exceso de neutrones se convierte en protones en los átomos del producto de fisión. Consulte Productos de fisión (por elemento) para obtener una descripción de los productos de fisión ordenados por elemento.

Reacciones en cadena

Varios elementos pesados, como el uranio, el torio y el plutonio, experimentan fisión espontánea, una forma de desintegración radiactiva, y fisión inducida, una forma de reacción nuclear. Los isótopos elementales que experimentan una fisión inducida cuando son golpeados por un neutrón libre se denominan fisionables; los isótopos que experimentan fisión cuando son golpeados por un neutrón térmico de movimiento lento también se denominan fisionables. Unos pocos isótopos particularmente fisionables y fáciles de obtener (sobre todo U, U y Pu) se denominan combustibles nucleares porque pueden sufrir una reacción en cadena y pueden obtenerse en cantidades suficientemente grandes para ser útiles.

Todos los isótopos fisionables y fisionables experimentan una pequeña cantidad de fisión espontánea que libera unos pocos neutrones libres en cualquier muestra de combustible nuclear. Dichos neutrones escaparían rápidamente del combustible y se convertirían en un neutrón libre, con una vida media de unos 15 minutos antes de descomponerse en protones y partículas beta. Sin embargo, los neutrones casi invariablemente impactan y son absorbidos por otros núcleos cercanos mucho antes de que esto suceda (los neutrones de fisión recién creados se mueven a un 7% de la velocidad de la luz, e incluso los neutrones moderados se mueven a unas 8 veces la velocidad del sonido). Algunos neutrones impactarán en los núcleos de combustible e inducirán más fisiones, liberando aún más neutrones. Si se acumula suficiente combustible nuclear en un solo lugar, o si los neutrones que escapan están suficientemente contenidos,tendrá lugar una reacción nuclear en cadena sostenida.

Un conjunto que soporta una reacción nuclear en cadena sostenida se denomina conjunto crítico o, si el conjunto está compuesto casi en su totalidad por combustible nuclear, masa crítica. La palabra "crítico" se refiere a una cúspide en el comportamiento de la ecuación diferencial que gobierna el número de neutrones libres presentes en el combustible: si está presente menos de una masa crítica, entonces la cantidad de neutrones está determinada por la desintegración radiactiva, pero si una masa crítica o más está presente, entonces la cantidad de neutrones es controlada por la física de la reacción en cadena. La masa real de una masa crítica de combustible nuclear depende en gran medida de la geometría y los materiales circundantes.

No todos los isótopos fisionables pueden sostener una reacción en cadena. Por ejemplo, el U, la forma más abundante de uranio, es fisionable pero no fisionable: sufre fisión inducida cuando es impactado por un neutrón energético con más de 1 MeV de energía cinética. Sin embargo, muy pocos de los neutrones producidos por la fisión de U son lo suficientemente energéticos como para inducir más fisiones en U, por lo que no es posible una reacción en cadena con este isótopo. En cambio, bombardear U con neutrones lentos hace que los absorba (convirtiéndose en U) y decaiga por emisión beta a Np, que luego decae nuevamente por el mismo proceso a Pu; ese proceso se utiliza para fabricarPu en reactores reproductores. La producción de plutonio in situ también contribuye a la reacción en cadena de neutrones en otros tipos de reactores una vez que se ha producido suficiente plutonio-239, ya que el plutonio-239 también es un elemento fisionable que sirve como combustible. Se estima que hasta la mitad de la energía producida por un reactor estándar "no reproductor" es producida por la fisión de plutonio-239 producido en el lugar, durante el ciclo de vida total de una carga de combustible.

Los isótopos fisionables y no fisionables pueden utilizarse como fuente de energía de fisión incluso sin una reacción en cadena. El bombardeo de U con neutrones rápidos induce fisiones, liberando energía mientras la fuente de neutrones externa esté presente. Este es un efecto importante en todos los reactores donde los neutrones rápidos del isótopo fisionable pueden causar la fisión de los núcleos de U cercanos, lo que significa que una pequeña parte del U se "quema" en todos los combustibles nucleares, especialmente en los reactores reproductores rápidos que operar con neutrones de mayor energía. Ese mismo efecto de fisión rápida se usa para aumentar la energía liberada por las armas termonucleares modernas, revistiendo el arma conU para reaccionar con los neutrones liberados por la fusión nuclear en el centro del dispositivo. Pero los efectos explosivos de las reacciones en cadena de la fisión nuclear se pueden reducir mediante el uso de sustancias como moderadores que reducen la velocidad de los neutrones secundarios.

Reactores de fisión

Los reactores de fisión críticos son el tipo más común de reactor nuclear. En un reactor de fisión crítico, los neutrones producidos por la fisión de los átomos de combustible se utilizan para inducir aún más fisiones, para mantener una cantidad controlable de liberación de energía. Los dispositivos que producen reacciones de fisión diseñadas pero no autosuficientes son reactores de fisión subcríticos. Dichos dispositivos utilizan aceleradores de partículas o de desintegración radiactiva para desencadenar fisiones.

Los reactores de fisión críticos se construyen para tres propósitos principales, que generalmente involucran diferentes compensaciones de ingeniería para aprovechar el calor o los neutrones producidos por la reacción en cadena de la fisión:

• Los reactores de potencia están destinados a producir calor para la energía nuclear, ya sea como parte de una estación generadora o de un sistema de energía local, como un submarino nuclear.
• Los reactores de investigación están destinados a producir neutrones y/o activar fuentes radiactivas con fines científicos, médicos, de ingeniería u otros fines de investigación.
• Los reactores reproductores están destinados a producir combustibles nucleares a granel a partir de isótopos más abundantes. El reactor reproductor rápido más conocido produce Pu (un combustible nuclear) a partir del U naturalmente muy abundante (no un combustible nuclear). Se siguen estudiando y desarrollando reactores reproductores térmicos probados previamente con Th para generar el isótopo fisionable U (ciclo del combustible de torio).

Si bien, en principio, todos los reactores de fisión pueden actuar en las tres capacidades, en la práctica las tareas conducen a objetivos de ingeniería contradictorios y la mayoría de los reactores se han construido teniendo en cuenta solo una de las tareas anteriores. (Hay varios contraejemplos tempranos, como el reactor Hanford N, ahora fuera de servicio). Los reactores de potencia generalmente convierten la energía cinética de los productos de fisión en calor, que se utiliza para calentar un fluido de trabajo y accionar un motor térmico que genera energía mecánica o eléctrica. El fluido de trabajo suele ser agua con una turbina de vapor, pero algunos diseños utilizan otros materiales como el helio gaseoso. Los reactores de investigación producen neutrones que se utilizan de diversas formas, y el calor de fisión se trata como un producto de desecho inevitable. Los reactores reproductores son una forma especializada de reactor de investigación,U y U. Para obtener una descripción más detallada de la física y los principios operativos de los reactores de fisión críticos, consulte la física del reactor nuclear. Para una descripción de sus aspectos sociales, políticos y ambientales, ver energía nuclear.

Bombas de fisión

Una clase de arma nuclear, una bomba de fisión (que no debe confundirse con la bomba de fusión), también conocida como bomba atómica o bomba atómica, es un reactor de fisión diseñado para liberar la mayor cantidad de energía posible lo más rápido posible, antes de que la energía liberada haga que el reactor explote (y la reacción en cadena se detenga). El desarrollo de armas nucleares fue la motivación detrás de las primeras investigaciones sobre la fisión nuclear que el Proyecto Manhattan durante la Segunda Guerra Mundial (1 de septiembre de 1939 - 2 de septiembre de 1945) llevó a cabo la mayor parte del trabajo científico inicial sobre las reacciones en cadena de la fisión, que culminó en los tres eventos. que involucran bombas de fisión que ocurrieron durante la guerra. La primera bomba de fisión, con el nombre en código "The Gadget", fue detonada durante la Prueba Trinity en el desierto de Nuevo México el 16 de julio de 1945. Otras dos bombas de fisión, con el nombre en código "Little Boy" y "Fat Man",

Incluso las primeras bombas de fisión eran miles de veces más explosivas que una masa comparable de explosivo químico. Por ejemplo, Little Boy pesaba un total de unas cuatro toneladas (de las cuales 60 kg eran combustible nuclear) y medía 3,4 m (11 pies) de largo; también produjo una explosión equivalente a unos 15 kilotones de TNT, destruyendo gran parte de la ciudad de Hiroshima. Las armas nucleares modernas (que incluyen una fusión termonuclear así como una o más etapas de fisión) son cientos de veces más energéticas por su peso que las primeras bombas atómicas de fisión pura (ver rendimiento de armas nucleares), por lo que una bomba moderna de ojiva de un solo misil que pesa menos de 1/8 de Little Boy (véase, por ejemplo, W88) tiene un rendimiento de 475 kilotones de TNT y podría provocar una destrucción de unas 10 veces el área de la ciudad.

Si bien la física fundamental de la reacción en cadena de fisión en un arma nuclear es similar a la física de un reactor nuclear controlado, los dos tipos de dispositivos deben diseñarse de manera bastante diferente (ver física del reactor nuclear). Una bomba nuclear está diseñada para liberar toda su energía a la vez, mientras que un reactor está diseñado para generar un suministro constante de energía útil. Si bien el sobrecalentamiento de un reactor puede provocar, y ha provocado, fusión y explosiones de vapor, el enriquecimiento de uranio mucho más bajo hace que sea imposible que un reactor nuclear explote con el mismo poder destructivo que un arma nuclear. También es difícil extraer energía útil de una bomba nuclear, aunque al menos un sistema de propulsión de cohetes, el Proyecto Orión, estaba destinado a funcionar mediante la explosión de bombas de fisión detrás de una nave espacial protegida y acolchada masivamente.

La importancia estratégica de las armas nucleares es una de las principales razones por las que la tecnología de la fisión nuclear es políticamente delicada. Podría decirse que los diseños viables de bombas de fisión están al alcance de muchos, ya que son relativamente simples desde el punto de vista de la ingeniería. Sin embargo, la dificultad de obtener material nuclear fisible para realizar los diseños es la clave de la relativa falta de disponibilidad de armas nucleares para todos excepto los gobiernos industrializados modernos con programas especiales para producir materiales fisibles (ver enriquecimiento de uranio y ciclo del combustible nuclear).

Historia

Descubrimiento de la fisión nuclear

El descubrimiento de la fisión nuclear ocurrió en 1938 en los edificios de la Sociedad de Química Kaiser Wilhelm, hoy parte de la Universidad Libre de Berlín, luego de más de cuatro décadas de trabajo en la ciencia de la radiactividad y la elaboración de nueva física nuclear que describía los componentes de átomos En 1911, Ernest Rutherford propuso un modelo del átomo en el que un núcleo de protones muy pequeño, denso y con carga positiva estaba rodeado por electrones en órbita con carga negativa (el modelo de Rutherford).Niels Bohr mejoró esto en 1913 reconciliando el comportamiento cuántico de los electrones (el modelo de Bohr). El trabajo de Henri Becquerel, Marie Curie, Pierre Curie y Rutherford profundizó en que el núcleo, aunque fuertemente unido, podría sufrir diferentes formas de desintegración radiactiva y, por lo tanto, transmutarse en otros elementos. (Por ejemplo, por desintegración alfa: la emisión de una partícula alfa: dos protones y dos neutrones unidos en una partícula idéntica a un núcleo de helio).

Se habían realizado algunos trabajos de transmutación nuclear. En 1917, Rutherford pudo lograr la transmutación de nitrógeno en oxígeno, utilizando partículas alfa dirigidas al nitrógeno N + α → O + p. Esta fue la primera observación de una reacción nuclear, es decir, una reacción en la que las partículas de un decaimiento se utilizan para transformar otro núcleo atómico. Finalmente, en 1932, los colegas de Rutherford, Ernest Walton y John Cockcroft, lograron una reacción nuclear completamente artificial y una transmutación nuclear, quienes utilizaron protones acelerados artificialmente contra litio-7, para dividir este núcleo en dos partículas alfa. La hazaña fue conocida popularmente como "dividir el átomo", y les valdría el Premio Nobel de Física de 1951 por"Transmutación de núcleos atómicos por partículas atómicas aceleradas artificialmente", aunque no fue la reacción de fisión nuclear descubierta más tarde en elementos pesados.

Después de que el físico inglés James Chadwick descubriera el neutrón en 1932, Enrico Fermi y sus colegas en Roma estudiaron los resultados del bombardeo de uranio con neutrones en 1934. Fermi concluyó que sus experimentos habían creado nuevos elementos con 93 y 94 protones, que el grupo denominó ausonio y hesperio. Sin embargo, no todos estaban convencidos por el análisis de Fermi de sus resultados, aunque ganaría el Premio Nobel de Física de 1938 por sus "demostraciones de la existencia de nuevos elementos radiactivos producidos por la irradiación de neutrones, y por su descubrimiento relacionado de reacciones nucleares provocadas por neutrones lentos". La química alemana Ida Noddack sugirió notablemente en forma impresa en 1934 que en lugar de crear un nuevo elemento 93 más pesado, que "Sin embargo, la conclusión de Noddack no se siguió en ese momento.

Después de la publicación de Fermi, Otto Hahn, Lise Meitner y Fritz Strassmann comenzaron a realizar experimentos similares en Berlín. Meitner, una judía austriaca, perdió su ciudadanía austriaca con el Anschluss, la unión de Austria con Alemania en marzo de 1938, pero huyó en julio de 1938 a Suecia y comenzó una correspondencia por correo con Hahn en Berlín. Por coincidencia, su sobrino Otto Robert Frisch, también refugiado, también estaba en Suecia cuando Meitner recibió una carta de Hahn fechada el 19 de diciembre describiendo su prueba química de que parte del producto del bombardeo de uranio con neutrones era bario. Hahn sugirió una explosióndel núcleo, pero no estaba seguro de cuál era la base física de los resultados. El bario tenía una masa atómica un 40% menor que el uranio, y ningún método de desintegración radiactiva conocido anteriormente podía explicar una diferencia tan grande en la masa del núcleo. Frisch se mostró escéptico, pero Meitner confiaba en la capacidad de Hahn como químico. Marie Curie había estado separando el bario del radio durante muchos años y las técnicas eran bien conocidas. Meitner y Frisch luego interpretaron correctamente los resultados de Hahn en el sentido de que el núcleo de uranio se había dividido aproximadamente por la mitad. Frisch sugirió que el proceso se llamara "fisión nuclear", por analogía con el proceso de división de células vivas en dos células, que luego se denominó fisión binaria. Así como el término "reacción en cadena" nuclear se tomaría prestado más tarde de la química, el término "fisión"

Rápidamente se difundió la noticia del nuevo descubrimiento, que se vio correctamente como un efecto físico completamente nuevo con grandes posibilidades científicas y potencialmente prácticas. La interpretación de Meitner y Frisch del descubrimiento de Hahn y Strassmann cruzó el Océano Atlántico con Niels Bohr, quien iba a dar una conferencia en la Universidad de Princeton. II Rabi y Willis Lamb, dos físicos de la Universidad de Columbia que trabajaban en Princeton, escucharon la noticia y la llevaron a Columbia. Rabi dijo que le dijo a Enrico Fermi; Fermi le dio crédito a Lamb. Poco después, Bohr fue de Princeton a Columbia para ver a Fermi. Al no encontrar a Fermi en su oficina, Bohr bajó al área del ciclotrón y encontró a Herbert L. Anderson. Bohr lo agarró por el hombro y le dijo: "Joven, déjame explicarte algo nuevo y emocionante en física".Para varios científicos de Columbia estaba claro que debían tratar de detectar la energía liberada en la fisión nuclear del uranio por el bombardeo de neutrones. El 25 de enero de 1939, un equipo de la Universidad de Columbia realizó el primer experimento de fisión nuclear en los Estados Unidos.que se hizo en el sótano de Pupin Hall. El experimento consistió en colocar óxido de uranio dentro de una cámara de ionización e irradiarlo con neutrones y medir la energía liberada. Los resultados confirmaron que se estaba produciendo la fisión e insinuaron fuertemente que era el isótopo uranio 235 en particular el que se estaba fisionando. Al día siguiente, la Quinta Conferencia de Washington sobre Física Teórica comenzó en Washington, DC bajo los auspicios conjuntos de la Universidad George Washington y la Institución Carnegie de Washington. Allí se difundió aún más la noticia de la fisión nuclear, lo que fomentó muchas más demostraciones experimentales.

En su segunda publicación sobre fisión nuclear en febrero de 1939, Hahn y Strassmann utilizaron por primera vez el término Uranspaltung (fisión de uranio) y predijeron la existencia y liberación de neutrones adicionales durante el proceso de fisión, abriendo la posibilidad de una cadena nuclear. reacción.

Reacción en cadena de fisión realizada

Durante este período, el físico húngaro Leó Szilárd se dio cuenta de que la fisión de átomos pesados ​​impulsada por neutrones podría usarse para crear una reacción nuclear en cadena. Tal reacción usando neutrones fue una idea que formuló por primera vez en 1933, al leer los comentarios despectivos de Rutherford sobre la generación de energía a partir del experimento de 1932 de su equipo usando protones para dividir litio. Sin embargo, Szilárd no había podido lograr una reacción en cadena impulsada por neutrones con átomos ligeros ricos en neutrones. En teoría, si en una reacción en cadena impulsada por neutrones el número de neutrones secundarios producidos fuera mayor que uno, entonces cada una de esas reacciones podría desencadenar múltiples reacciones adicionales, produciendo un número de reacciones que aumentaría exponencialmente. Por lo tanto, existía la posibilidad de que la fisión de uranio pudiera producir grandes cantidades de energía para fines civiles o militares (es decir,

Szilard instó ahora a Fermi (en Nueva York) y Frédéric Joliot-Curie (en París) a abstenerse de publicar sobre la posibilidad de una reacción en cadena, para que el gobierno nazi no se dé cuenta de las posibilidades en vísperas de lo que más tarde se conocería como Mundial. Segunda guerra. Con algunas dudas, Fermi accedió a autocensurarse. Pero Joliot-Curie no lo hizo, y en abril de 1939 su equipo en París, incluidos Hans von Halban y Lew Kowarski, informaron en la revista Nature que el número de neutrones emitidos con la fisión nuclear de uranio se informó entonces en 3,5 por fisión.(Más tarde corrigieron esto a 2,6 por fisión). El trabajo simultáneo de Szilard y Walter Zinn confirmó estos resultados. Los resultados sugirieron la posibilidad de construir reactores nucleares (primero llamados "reactores neutrónicos" por Szilard y Fermi) e incluso bombas nucleares. Sin embargo, todavía se desconocía mucho sobre los sistemas de fisión y reacción en cadena.

Las reacciones en cadena en ese momento eran un fenómeno conocido en química, pero el proceso análogo en física nuclear, utilizando neutrones, había sido previsto ya en 1933 por Szilárd, aunque Szilárd en ese momento no tenía idea con qué materiales podría iniciarse el proceso. Szilárd consideró que los neutrones serían ideales para tal situación, ya que carecían de carga electrostática.

Con la noticia de los neutrones de fisión de la fisión del uranio, Szilárd entendió de inmediato la posibilidad de una reacción nuclear en cadena usando uranio. En el verano, Fermi y Szilard propusieron la idea de un reactor nuclear (pila) para mediar en este proceso. La pila usaría uranio natural como combustible. Fermi había demostrado mucho antes que los átomos capturaban con mucha más eficacia los neutrones si eran de baja energía (los llamados neutrones "lentos" o "térmicos"), porque por razones cuánticas hacía que los átomos parecieran objetivos mucho más grandes para los neutrones.. Por lo tanto, para ralentizar los neutrones secundarios liberados por los núcleos de uranio en fisión, Fermi y Szilard propusieron un "moderador" de grafito, contra el cual colisionarían los neutrones secundarios rápidos y de alta energía, ralentizándolos efectivamente. Con suficiente uranio, y con grafito lo suficientemente puro, su "pila" teóricamente podría sostener una reacción en cadena de neutrones lentos. Esto daría como resultado la producción de calor, así como la creación de productos de fisión radiactivos.

En agosto de 1939, Szilard y sus compañeros físicos refugiados húngaros Teller y Wigner pensaron que los alemanes podrían hacer uso de la reacción en cadena de la fisión y se sintieron impulsados ​​a intentar llamar la atención del gobierno de los Estados Unidos sobre el tema. Con este fin, persuadieron al refugiado judío alemán Albert Einstein para que prestara su nombre a una carta dirigida al presidente Franklin Roosevelt. La carta de Einstein-Szilárd sugirió la posibilidad de una bomba de uranio lanzable por barco, que destruiría "un puerto entero y gran parte del campo circundante". El presidente recibió la carta el 11 de octubre de 1939, poco después de que comenzara la Segunda Guerra Mundial en Europa, pero dos años antes de que Estados Unidos entrara en ella. Roosevelt ordenó que se autorizara un comité científico para supervisar el trabajo con uranio y asignó una pequeña suma de dinero para la investigación de pilas.

En Inglaterra, James Chadwick propuso una bomba atómica que utilizara uranio natural, basándose en un artículo de Rudolf Peierls con una masa necesaria para el estado crítico de 30 a 40 toneladas. En Estados Unidos, J. Robert Oppenheimer pensó que un cubo de deuteruro de uranio de 10 cm de lado (alrededor de 11 kg de uranio) podría "volarse hasta el infierno". En este diseño, todavía se pensaba que sería necesario utilizar un moderador para la fisión de la bomba nuclear. (Este resultó no ser el caso si se separó el isótopo fisible). En diciembre, Werner Heisenberg entregó un informe al Ministerio de Guerra alemán sobre la posibilidad de una bomba de uranio. La mayoría de estos modelos todavía suponían que las bombas serían impulsadas por reacciones de neutrones lentos y, por lo tanto, serían similares a un reactor que experimenta una excursión de energía crítica.

En Birmingham, Inglaterra, Frisch se asoció con Peierls, un refugiado judío alemán. Tuvieron la idea de utilizar una masa purificada del isótopo de uranio U, que tenía una sección transversal aún no determinada, pero que se creía que era mucho mayor que la del U o el uranio natural (que es el 99,3% de este último isótopo). Suponiendo que la sección transversal para la fisión de U de neutrones rápidos era la misma que para la fisión de neutrones lentos, determinaron que unLa bomba U podría tener una masa crítica de solo 6 kg en lugar de toneladas, y que la explosión resultante sería tremenda. (La cantidad en realidad resultó ser de 15 kg, aunque esta cantidad se usó varias veces en la bomba de uranio real (Little Boy).) En febrero de 1940 entregaron el memorando de Frisch-Peierls. Irónicamente, todavía se los consideraba oficialmente "extraterrestres enemigos" en ese momento. Glenn Seaborg, Joseph W. Kennedy, Arthur Wahl y el refugiado judío italiano Emilio Segrè descubrieron poco después Pu en los productos de descomposición de U producidos al bombardear U con neutrones, y determinaron que era un material fisionable, como U.

La posibilidad de aislar uranio-235 era técnicamente desalentadora, porque el uranio-235 y el uranio-238 son químicamente idénticos y varían en su masa solo en el peso de tres neutrones. Sin embargo, si se pudiera aislar una cantidad suficiente de uranio-235, permitiría una rápida reacción en cadena de fisión de neutrones. Esto sería extremadamente explosivo, una verdadera "bomba atómica". El descubrimiento de que el plutonio-239 podría producirse en un reactor nuclear apuntó hacia otro enfoque para una bomba de fisión de neutrones rápidos. Ambos enfoques eran extremadamente novedosos y aún no se entendían bien, y había un considerable escepticismo científico ante la idea de que pudieran desarrollarse en un corto período de tiempo.

El 28 de junio de 1941, se formó la Oficina de Investigación y Desarrollo Científico en los EE. UU. para movilizar recursos científicos y aplicar los resultados de la investigación a la defensa nacional. En septiembre, Fermi ensambló su primera "pila" nuclear o reactor, en un intento de crear una reacción en cadena inducida por neutrones lentos en uranio, pero el experimento no logró alcanzar la criticidad, debido a la falta de materiales adecuados, o por falta de materiales adecuados. materiales que estaban disponibles.

Se descubrió que producir una reacción en cadena de fisión en el combustible de uranio natural dista mucho de ser trivial. Los primeros reactores nucleares no usaban uranio enriquecido isotópicamente y, en consecuencia, debían usar grandes cantidades de grafito altamente purificado como materiales de moderación de neutrones. El uso de agua ordinaria (a diferencia del agua pesada) en los reactores nucleares requiere combustible enriquecido: la separación parcial y el enriquecimiento relativo del isótopo U raro del mucho más comúnisótopo U. Por lo general, los reactores también requieren la inclusión de materiales moderadores de neutrones químicamente puros, como deuterio (en agua pesada), helio, berilio o carbono, este último generalmente como grafito. (Se requiere una alta pureza para el carbono porque muchas impurezas químicas, como el componente boro-10 del boro natural, son absorbentes de neutrones muy fuertes y, por lo tanto, envenenan la reacción en cadena y la terminan prematuramente).

La producción de tales materiales a escala industrial tuvo que resolverse para lograr la generación de energía nuclear y la producción de armas. Hasta 1940, la cantidad total de uranio metálico producido en EE. UU. no superaba los pocos gramos, e incluso éste era de dudosa pureza; de berilio metálico no más de unos pocos kilogramos; y óxido de deuterio concentrado (agua pesada) no más de unos pocos kilogramos. Finalmente, el carbono nunca se había producido en cantidad con nada parecido a la pureza requerida de un moderador.

El problema de producir grandes cantidades de uranio de alta pureza fue resuelto por Frank Spedding utilizando el proceso de termita o "Ames". Ames Laboratory se estableció en 1942 para producir las grandes cantidades de uranio metálico natural (no enriquecido) que serían necesarias para la investigación futura. El éxito crítico de la reacción nuclear en cadena del Chicago Pile-1 (2 de diciembre de 1942) que usó uranio no enriquecido (natural), como todas las "pilas" atómicas que produjeron el plutonio para la bomba atómica, también se debió específicamente a Szilard. darse cuenta de que el grafito muy puro podría usarse para el moderador incluso de las "pilas" de uranio natural. En la Alemania de la guerra, la falta de apreciación de las cualidades del grafito muy puro condujo a diseños de reactores dependientes de agua pesada, que a su vez les fue negada a los alemanes por los ataques aliados en Noruega. donde se producía agua pesada. Estas dificultades, entre muchas otras, impidieron que los nazis construyeran un reactor nuclear capaz de alcanzar la criticidad durante la guerra, aunque nunca pusieron tanto esfuerzo como los Estados Unidos en la investigación nuclear, centrándose en otras tecnologías (consulte Proyecto de energía nuclear alemán para obtener más detalles).).

Proyecto Manhattan y más allá

En los Estados Unidos, a fines de 1942 se inició un esfuerzo total para fabricar armas atómicas. Este trabajo fue asumido por el Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los EE. UU. en 1943 y conocido como el Distrito de Ingenieros de Manhattan. El Proyecto Manhattan de alto secreto, como se le conocía coloquialmente, fue dirigido por el general Leslie R. Groves. Entre las docenas de sitios del proyecto se encontraban: Hanford Site en Washington, que tuvo los primeros reactores nucleares a escala industrial y produjo plutonio; Oak Ridge, Tennessee, que se ocupaba principalmente del enriquecimiento de uranio; y Los Álamos, en Nuevo México, que fue el centro científico para la investigación sobre el desarrollo y diseño de bombas. Otros sitios, en particular el Laboratorio de Radiación de Berkeley y el Laboratorio Metalúrgico de la Universidad de Chicago, desempeñaron un importante papel contribuyente.

En julio de 1945, el primer dispositivo explosivo atómico, denominado "Trinity", fue detonado en el desierto de Nuevo México. Fue alimentado por plutonio creado en Hanford. En agosto de 1945, dos dispositivos atómicos más, "Little Boy", una bomba de uranio-235, y "Fat Man", una bomba de plutonio, se utilizaron contra las ciudades japonesas de Hiroshima y Nagasaki.

En los años posteriores a la Segunda Guerra Mundial, muchos países participaron en un mayor desarrollo de la fisión nuclear para reactores nucleares y armas nucleares. El Reino Unido abrió la primera central nuclear comercial en 1956. Para 2013, había 437 reactores en 31 países.

Reactores en cadena de fisión natural en la Tierra

La criticidad en la naturaleza es poco común. En tres depósitos de mineral en Oklo en Gabón, se han descubierto dieciséis sitios (los llamados Reactores Fósiles de Oklo) en los que tuvo lugar la fisión nuclear autosostenida hace aproximadamente 2 mil millones de años. Desconocido hasta 1972 (pero postulado por Paul Kuroda en 1956), cuando el físico francés Francis Perrin descubrió los reactores fósiles de Oklo, se dio cuenta de que la naturaleza se había adelantado a los humanos. Las reacciones en cadena de la fisión natural del uranio a gran escala, moderadas por el agua normal, habían ocurrido en el pasado lejano y no serían posibles ahora. Este antiguo proceso pudo usar agua normal como moderador solo porque 2 mil millones de años antes del presente, el uranio natural era más rico en el isótopo fisionable de vida más corta.U (alrededor del 3 %), que el uranio natural disponible en la actualidad (que es solo del 0,7 % y debe enriquecerse al 3 % para poder utilizarlo en reactores de agua ligera).