Cómo explicar cómo funciona la fisión nuclear

Answer 1

Tenemos que comenzar con el concepto de átomos, que los griegos definieron como la partícula más pequeña en la que se podría dividir algo. Ahora sabemos que el átomo está compuesto de cosas aún más pequeñas, por lo que la definición del griego se califica para la partícula más pequeña que todavía tiene las mismas cualidades.

El átomo tiene dos partes básicas, la nube de electrones y el núcleo. Ambos son agregados de partículas aún más pequeñas, electrones, protones y neutrones. El número de protones determina qué elemento es el átomo. Cada protón tiene una carga eléctrica más uno y la suma de las cargas se suman para atraer los electrones que, debido a consideraciones cuánticas, no solo se estrellan contra los protones. Si el número de protones no es exactamente igual al número de electrones, se dice que el átomo está ionizado.

Los protones tienen una estrecha asociación con la otra partícula, los neutrones. Los neutrones juegan un papel misterioso, ya que no tienen carga eléctrica, pero de alguna manera pueden mantener los protones juntos a pesar de la repulsión eléctrica de cargas similares, que en ese rango cercano es enorme. Las fuerzas de unión en el núcleo son la energía que se puede liberar en las reacciones nucleares. El equivalente de energía de la masa del núcleo no se libera excepto en una materia: aniquilación de antimateria, pero parte de la energía de unión se puede liberar en algunos tipos de procesos, descomposición, fisión y fusión.

Las fuerzas que mantienen unido el núcleo se comportan de manera muy diferente a la gravedad, las cargas eléctricas y magnéticas. Son de corto alcance y no se suman mucho. El resultado es que las combinaciones más imaginables de números de protones y neutrones nunca se han detectado. Se ha observado que alrededor de tres mil existen el tiempo suficiente para ser observados. Todos menos un par de esos se descomponen en algo más al emitir radiaciones alfa, beta, gamma o incluso más exóticas. Muy pocos de la fisión espontáneamente en lugar de emitir una simple partícula.

Cuando un núcleo se fisiona, no lo hace exactamente lo mismo cada vez. Parece romperse en dos piezas grandes, con una variedad de partículas pequeñas. Las dos piezas grandes nunca son iguales. En promedio, la masa de los fragmentos se agrupará en torno a dos valores que son característicos de ese nucleido. Los pedazos pequeños que quedan son protones, partículas alfa y otros, pero más notablemente – neutrones.

Los neutrones son de particular interés porque un neutrón con el momento adecuado puede atravesar la nube de electrones y golpear a otro núcleo sin rebotar, como lo haría un protón. Se puede fusionar con el núcleo, transformándolo en un nucleido diferente. En algunos casos, como el uranio 235, por ejemplo, la adición de ese neutrón adicional hace que se fisione inmediatamente. La rapidez es importante. La primera fisión produce más neutrones, que luego causan más fisión.

Tenemos una reacción en cadena. La tasa de fisión se puede controlar mediante varios métodos macroscópicos, desde la geometría de los materiales hasta las cosas que afectan directamente a los neutrones para detenerlos, ralentizarlos, reflejarlos en el combustible, etc. Las radiaciones de desintegración se absorben como calor, que se puede utilizar para producir energía utilizable.

Answer 2

Echemos un vistazo a una partícula de uranio-235. El 0,72% de todo el uranio natural está hecho de U-235.

Tiene 143 neutrones y 92 protones, y tiene una vida media de 703 millones de años.

Ahora vamos a acelerar un neutrón y aplastarlo contra la partícula de uranio-235. El neutrón divide esa partícula en otras dos partículas (a veces forma Krypton 92 y Bario 141). Pero también emite 2–3 neutrones.

Estos tres neutrones se estrellan en otros átomos de uranio-235, que luego se dividen, forman más neutrones, se estrellan en más átomos de U-235, que luego se dividen, forman más neutrones, etc.

Acabamos de crear una reacción en cadena.

Cada vez que un átomo de uranio se divide, libera una cantidad masiva de energía. Podemos crear una reacción controlada y aprovechar la energía generada por la fisión nuclear para alimentar los hogares, como los reactores nucleares, o podemos crear una reacción incontrolada, que dará como resultado una explosión nuclear.

U-235 es raro en la naturaleza. Necesitamos enriquecer uranio para que sostenga una reacción de fisión. No podemos usar U-238 porque emite muy pocos neutrones cuando es golpeado por un neutrón, por lo que se detiene una reacción en cadena. El uranio de grado de armas es 80–90% U-235.

El plutonio-239 es mucho más común en las armas nucleares, ya que es más fácil de producir que enriquecer uranio. Sin embargo, el diseño de la bomba es diferente: el plutonio necesita ser aplastado para mantener la fisión nuclear. (Detonamos explosivos a su alrededor para aplastar la bola Pu-239). Para un diseño de bomba de uranio, aplastamos dos piezas de uranio-235 juntas. Estas dos piezas de uranio-235, cuando se combinan, forman una masa supercrítica. Todo material fisionable debe tener una determinada masa para mantener una reacción de fisión (esta masa depende de la densidad, la forma, la temperatura, etc.). Para una esfera U-235, la masa crítica es de 52 kg.
Sin embargo, si rodeamos una esfera más pequeña con un reflector de neutrones (grafito, berilio, etc.), puede recuperar algunos de los neutrones que intentan escapar.

Answer 3

El núcleo de un átomo identifica el elemento químico que se crea cuando los átomos forman grupos llamados moléculas. Las moléculas forman cristales o gotas de líquido o gases. De modo que el hidrógeno (H2) es un gas que tiene moléculas de dos átomos. A temperatura ambiente son tan pequeños y se mueven tan rápido que permanecen separados aunque chocan entre sí o con las paredes de su recipiente y crean una presión. Los núcleos más pesados ​​y grandes, como el uranio, no actúan así, aunque el hexafluoruro de uranio, un compuesto de uranio y flúor, es un gas.

Los núcleos de hidrógeno tienen un protón que tiene una carga eléctrica positiva y uno o más neutrones que no tienen carga eléctrica. Los protones, que tienen una carga similar, se repelen entre sí, pero el núcleo de hidrógeno se mantiene unido por una fuerza como la gravedad que atrae a otras masas. Se llama “energía de enlace” porque la energía es igual a la fuerza por la distancia, y la fuerza entre las partículas nucleares es muy fuerte. Mantiene el núcleo de hidrógeno unido. El protón realmente ayuda con la energía de unión, porque tiene masa y no hay otro protón que repeler, excepto en otros átomos de hidrógeno. pero están relativamente lejos.

El uranio es otra historia. Tiene noventa y dos protones y de 149 a 147 neutrones, y se conoce como U232 a U239. Estos tienen mucha energía de unión, pero no todos los neutrones están cerca uno del otro. También hay mucha repulsión entre los protones. Este conflicto entre nucleones ocasiona a veces la expulsión o emisión de partículas alfa que son núcleos de helio estables. Con menos frecuencia, el núcleo de uranio se divide en dos núcleos más pequeños de diferentes tamaños. Estos se llaman productos de fisión y pueden ser núcleos de yodo, hierro, cesio o cualquier otro átomo de tamaño mediano. Se emiten a alta velocidad y con un promedio de dos o tres neutrones. Como son más pequeños que los núcleos de uranio y están empaquetados de manera más eficiente, tienen menos energía de unión que el núcleo de uranio original.

Este exceso de energía es evidente en su alta velocidad que calienta el cuerpo de masa.

Answer 4

Cuando un átomo se divide en partículas subatómicas, libera una tremenda cantidad de energía en forma de calor. Esto se llama fisión nuclear