Glosario de química
Fisión nuclear
La fisión nuclear es un proceso en el que un núcleo atómico se divide en dos o más núcleos más pequeños, liberando energía.
Definición de fisión nuclear
La fisión nuclear es una reacción nuclear en la que el núcleo de un átomo pesado se divide en dos núcleos más ligeros, liberando 2-3 neutrones libres y una enorme cantidad de energía.
Es lo opuesto a la fusión nuclear (donde dos núcleos ligeros se unen) y es la reacción que alimenta las centrales nucleares civiles y la bomba atómica.
La reacción típica de fisión
La reacción más estudiada y usada industrialmente es la fisión del uranio-235:
²³⁵U + n → ¹⁴¹Ba + ⁹²Kr + 3 n + 200 MeV
Los productos (Ba, Kr) son ejemplos; la fisión real produce decenas de pares de núcleos distintos cada vez. Los neutrones liberados pueden inducir nuevas fisiones, generando una reacción en cadena.
Energía liberada por fisión: ~200 MeV (millones de electronvoltios), unas 80 millones de veces más que la combustión de la misma masa de TNT.
El descubrimiento
La fisión nuclear fue descubierta en diciembre de 1938 por Otto Hahn y Fritz Strassmann en Berlín, al bombardear uranio con neutrones lentos y observar productos químicamente similares al bario (no esperado para el U). La interpretación física correcta fue dada por Lise Meitner y Otto Frisch (Frisch acuñó el término «fisión» por analogía con la división celular).
Por este descubrimiento, Otto Hahn recibió el Nobel de Química en 1944. Lise Meitner, una de las contribuyentes esenciales, fue ignorada (uno de los casos más famosos de injusticia en la historia del Nobel).
La reacción en cadena
La clave de la utilidad de la fisión es la reacción en cadena:
- Un neutrón provoca la fisión de un U-235.
- La fisión libera 2-3 neutrones nuevos.
- Cada uno puede provocar otra fisión → 4-9 neutrones.
- Y así sucesivamente.
Si el proceso se descontrola, en una fracción de segundo se producen 10²⁰ fisiones (bomba). Si se controla con materiales absorbentes de neutrones, se mantiene un ritmo constante (reactor).
Masa crítica
Para que la reacción se mantenga, hace falta suficiente material fisible para que los neutrones no escapen antes de provocar nuevas fisiones. Es la masa crítica:
- U-235: ~50 kg (esfera).
- Pu-239: ~10 kg (esfera).
Por debajo, los neutrones escapan y la reacción se extingue. Por encima, se descontrola.
Materiales fisibles
Solo algunos isótopos son fisibles (fácilmente divisibles con neutrones lentos):
- U-235: el único fisible natural (0,72 % del U natural).
- Pu-239: sintético, se obtiene en reactores a partir de U-238.
- U-233: sintético, del ciclo del torio.
Otros isótopos (U-238, Pu-240) son fertilísimos: capturan neutrones y se convierten en fisibles.
Reactores nucleares
Un reactor nuclear comercial mantiene una reacción en cadena controlada:
Componentes
- Combustible: pastillas de UO₂ enriquecido al 3-5 % en U-235 (comparado con el 0,72 % natural).
- Moderador: agua, grafito o agua pesada (D₂O). Frena los neutrones para que produzcan más fisiones (los neutrones lentos son más eficientes).
- Barras de control: contienen boro o cadmio, que absorben neutrones. Subir o bajar las barras regula la potencia.
- Refrigerante: agua o sodio líquido. Extrae el calor de las fisiones.
- Blindaje: hormigón y plomo para contener la radiación.
Funcionamiento
- La fisión calienta el refrigerante.
- El refrigerante calienta agua de un circuito secundario hasta vapor.
- El vapor mueve turbinas conectadas a generadores eléctricos.
Una central nuclear típica de 1,000 MW eléctricos produce ~10⁹ J por segundo de potencia útil.
Tipos de reactores
- PWR (Pressurized Water Reactor): el más común, agua a alta presión.
- BWR (Boiling Water Reactor): agua hierve directamente, generando vapor.
- RBMK: tipo soviético (Chernóbil), agua + grafito; obsoleto y peligroso.
- Reactores rápidos (fast breeders): usan Pu-239 y producen más combustible del que consumen. Aún experimentales.
- Reactores de torio: usan Th-232 → U-233. Más limpios pero aún en investigación.
Residuos nucleares
La fisión produce productos de fisión radiactivos con vidas medias muy variables:
- Yodo-131 (8 días).
- Cesio-137 (30 años) — el principal contaminante de Chernóbil y Fukushima.
- Estroncio-90 (29 años) — peligroso porque mimetiza al calcio en los huesos.
- Plutonio-239 (24,000 años).
La gestión de residuos es uno de los grandes desafíos: requieren almacenamiento geológico profundo (a >500 m de profundidad) durante miles a millones de años. Países como Finlandia (Onkalo) y Suecia están construyendo los primeros repositorios definitivos.
Accidentes nucleares destacados
- Three Mile Island (1979, EE.UU.): fusión parcial del núcleo. Sin víctimas directas. Cambió la percepción pública.
- Chernóbil (1986, URSS): explosión por error humano + diseño RBMK defectuoso. ~31 muertos directos, miles de cánceres a largo plazo.
- Fukushima (2011, Japón): tsunami inundó los generadores de emergencia. Fusión de 3 núcleos. Sin víctimas directas por radiación; ~18,500 por el tsunami.
Estos accidentes redefinieron los estándares de seguridad nuclear mundial.
Diferencia entre fisión y fusión
| Característica | Fisión | Fusión |
|---|---|---|
| Proceso | Núcleo pesado → ligeros | Núcleos ligeros → pesado |
| Combustible | U-235, Pu-239 | H-2, H-3 |
| Iniciación | Neutrón térmico (fácil) | Temperatura ~10⁸ K (difícil) |
| Energía por fisión | ~200 MeV | ~17,6 MeV (D-T) |
| Estado tecnológico | Comercial desde 1950 | Aún experimental (ITER) |
| Residuos radiactivos | Sí, muchos y largos | Pocos y cortos |
| Riesgo de descontrol | Posible (reactores con fallos) | Improbable (se apaga sola) |
Errores frecuentes en exámenes
- Confundir fisión con fusión: la fisión rompe núcleos pesados; la fusión une ligeros.
- Pensar que «las centrales nucleares pueden explotar como una bomba»: imposible. El uranio enriquecido al 3-5 % no permite reacción no controlada explosiva. Las bombas necesitan ~90 % de enriquecimiento.
- Asumir que toda la radiación nuclear es la misma: hay alfa (α), beta (β), gamma (γ), neutrones, todas con propiedades distintas.
- Olvidar que la energía nuclear es baja en CO₂: las emisiones son comparables a la eólica (~12 g CO₂/kWh).
Aplicaciones de la fisión
- Generación eléctrica: ~10 % de la electricidad mundial; ~70 % en Francia; >20 % en EE.UU., Bélgica, Suecia, etc.
- Propulsión naval: submarinos y portaaviones de propulsión nuclear.
- Medicina nuclear: producción de radioisótopos (Mo-99 → Tc-99m).
- Investigación: reactores de investigación para producir radioisótopos y estudiar materiales.
- Espacio: reactores nucleares miniatura propuestos para bases lunares y misiones a Marte.