Principal K1Project Armas nucleares 101: Regreso a lo básico

Armas nucleares 101: Regreso a lo básico

Nube en forma de hongo. Ilustración de Jennifer Feng.

La ciencia detrás de la fisión y la fusión

Fisión es un tipo de reacción nuclear que implica dividir el núcleo de un átomo en núcleos más pequeños. Puede ser inducida o puede ocurrir naturalmente a través de la desintegración radiactiva.

Fusión es un tipo de reacción nuclear que implica la combinación de dos núcleos más pequeños en un núcleo más grande. Este proceso ocurre naturalmente en las estrellas y puede ser inducido a temperaturas muy altas.

El principio detrás de la fisión y la fusión radica en la composición del propio núcleo. El núcleo de cualquier átomo puede contener dos tipos de partículas subatómicas, neutrones y protones (denominados colectivamente nucleones), que se mantienen unidos por la fuerza fuerte.

La fuerza fuerte es una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza. Además de mantener los nucleones juntos en un núcleo, también es responsable de la mera existencia de nucleones. A diferencia de lo que puede introducir la ciencia de la escuela secundaria, los protones y neutrones no son los bloques de construcción más pequeños de la materia, están compuestos de partículas fundamentales aún más pequeñas llamadas quarks. La fuerza fuerte une a los quarks para formar nucleones y también mantiene juntos a los neutrones y protones en el núcleo.

Los protones tienen carga positiva, mientras que los neutrones tienen carga neutra. Como resultado, los protones se repelen entre sí y la fuerza fuerte debe ser mayor que esta fuerza electrostática repulsiva. A medida que aumenta el número de protones en un núcleo, también cambia el número de neutrones y la cantidad de energía que mantiene unido el núcleo.

Energía de unión nuclear es la cantidad de energía necesaria para desmontar un núcleo en protones y neutrones individuales. Esta energía se informa por nucleón. El hierro es el átomo más unido (que requiere la mayor cantidad de energía por nucleón para ser desmontado). Esto significa que cualquier cosa más ligera que el hierro liberará energía tras la fusión para convertirse en un núcleo más grande, y los núcleos más pesados ​​liberarán energía tras la fisión para hacerse más pequeños. En cada caso, los elementos resultantes se acercarán al hierro en número de masa. Esto se muestra en la Figura 1 a continuación.

Figura 1. Energía de enlace nuclear por nucleón, fuente de la imagen: http://letslearnnepal.com/class-12/physics/modern-physics/nuclear-physics/terms-associated-with-nucleus/

diferencia entre endémica y epidémica

Armas de fisión

Uranio es un elemento de uso común para reacciones de fisión. El isótopo más abundante de uranio, el uranio-238, no es material fisionable porque no puede sostener una reacción en cadena. El uranio-235, sin embargo, es fisible: puede sostener una reacción en cadena utilizando los neutrones que se producen a partir de la fisión de otros núcleos de uranio-235. Por ejemplo, si una reacción nuclear en la que un neutrón bombardea un núcleo de uranio-235 produce dos neutrones, los neutrones resultantes podrán bombardear otros núcleos de uranio-235 en este material. Ver figura 2.

Figura 2. Reacción en cadena de uranio-235, ilustración de Etienne Cipriani.

Masa critica es la masa de material fisionable necesaria para que una reacción en cadena se vuelva autosuficiente. La razón por la que existe una masa mínima es que no todos los neutrones que se producen a partir de una reacción de fisión continuarán y causarán otra reacción; algunos pueden escapar antes de chocar con otro átomo de uranio, o chocar a velocidades insuficientes o con el ángulo incorrecto. Por lo tanto, se necesita una masa mayor de material para garantizar que la reacción en cadena pueda continuar. Por otro lado, los materiales de fusión no requieren una masa crítica porque implican la fusión de núcleos en lugar de su división, que se inicia por el calor en lugar de la colisión con un neutrón.

Uranio altamente enriquecido, El uranio-235, solo comprende el 0,7% de una muestra promedio de uranio natural, siendo la mayor parte del uranio natural el uranio-238. Para que haya suficiente uranio-235 para que las reacciones controladas produzcan energía nuclear, la proporción de uranio-235 debe aumentarse al 2-3% (uranio poco enriquecido). Para producir una bomba nuclear, la muestra de uranio debe contener aproximadamente un 90% de uranio-235. Las muestras de uranio con más del 20% de concentración de uranio 235 es lo que se entiende por uranio altamente enriquecido. La bomba Little Boy, lanzada sobre Hiroshima, utilizó alrededor de 64 kg de uranio enriquecido al 80%. Cuanto más enriquecido está el uranio, menor es la masa crítica necesaria para crear un arma.

Si el uranio-235 no se encuentra de forma natural en proporciones tan altas, ¿cómo aumentamos la proporción de uranio-235 a uranio-238? Debido a que son químicamente idénticos, los dos isótopos deben estar separados por masa. Una forma de hacerlo es usando centrifugadoras , que utilizan la minúscula diferencia de peso entre los dos isótopos para separarlos. En una centrífuga gaseosa común, el uranio primero sufre una reacción química que lo convierte en un estado gaseoso. Luego, el gas de uranio se hace girar muy rápidamente en la centrífuga, de modo que el uranio-238 más pesado se mueve hacia el borde y el uranio-235 más ligero se mueve hacia el centro. Al repetir este proceso miles de veces utilizando miles de centrifugadoras, el uranio finalmente se enriquece lo suficiente como para ser utilizado en la producción de un arma nuclear.

Centrífugas en una planta de enriquecimiento de EE. UU., Imagen de energy.gov

Plutonio-239 es un isótopo fisible que se forma a partir de la reacción de desintegración del uranio-238. También es capaz de sostener una reacción en cadena y, por lo tanto, se puede utilizar en la producción de armas nucleares.

Un reactor Magnox es un tipo de reactor muy primitivo que utiliza uranio natural. Su nombre, magnox, se deriva de la aleación de óxido de magnesio que se utiliza para revestir las barras de combustible. El uranio sufre una reacción de fisión en un entorno controlado y una gran parte se transforma en plutonio.

Armas de fusión

Bombas de hidrógeno: A diferencia de las bombas atómicas que dependen de la fisión (dividiendo uranio y / o plutonio para liberar grandes cantidades de energía), las bombas de hidrógeno utilizan reacciones de fusión para producir mucha más energía (por unidad de masa). En particular, una bomba de hidrógeno utiliza una explosión de fisión nuclear inicial para crear las condiciones que permiten la compresión y fusión de deuterio y tritio (isótopos de hidrógeno), cerca del corazón de la bomba. Las grandes cantidades de neutrones liberados por este proceso pueden acelerar la reacción en cadena explosiva de una capa de uranio envuelta a su alrededor, creando una explosión mucho más poderosa que la fisión de uranio sola. Las bombas de hidrógeno requieren un componente de fisión para producir las altas temperaturas necesarias para que los núcleos se unan.

Arma de fisión potenciada: A diferencia de las bombas de hidrógeno, donde la reacción de fisión se utiliza para iniciar la reacción de fusión de la que se deriva la mayor parte de la energía, un arma de fisión potenciada utiliza una reacción de fusión para aumentar la velocidad de la reacción de fisión. Dentro de un arma de este tipo, se usa una reacción de fusión más pequeña para producir más neutrones que luego causarían más reacciones en cadena de fisión, aumentando sustancialmente la velocidad de la reacción. En tal proceso, la reacción de fusión en sí misma solo aporta alrededor de un 1% adicional de energía al arma. Más bien, es el aumento de la velocidad y el rendimiento de la reacción de fisión lo que hace que un arma de fisión potenciada sea más poderosa y permite una ojiva nuclear más pequeña.

Otras lecturas:

Cerebro, Marshall. ¿Qué es una centrífuga de uranio? , Como funcionan las cosas, Oct 26, 2006.

Pappas, Stephanie. Bomba de hidrógeno versus bomba atómica: ¿Cuál es la diferencia? , Ciencia viva, 22 de septiembre de 2017.

Fisión nuclear , La energía nuclear , n.p.

Uranio-235 , La energía nuclear, notario público.

Nave, R. Fusión nuclear , Hiperfísica, notario público.

Sutton, Christine. Fuerza potente , Enciclopedia Brtannica , Feb 2, 2017.

Zielinski, Sarah. ¿Qué es el uranio enriquecido? , El Smithsonian, 10 de enero de 2012.

Etiquetas fusión de fisión

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