Reacciones nucleares

En sentido genérico, se llama reacción nuclear a todo proceso en el que se produce una transformación de un núcleo atómico para producir otro núcleo de diferente naturaleza. El esquema general de una reacción nuclear es el siguiente:

siendo X el núcleo atómico inicial, Y el núcleo final, a un tipo de partícula con la que se bombardea el núcleo X, y b la partícula o partículas que resultan de la reacción. El término Q es el balance de energía que se produce a consecuencia de la reacción.

El valor del balance energético de una reacción nuclear puede ser positivo, en cuyo caso la reacción se denomina exoenergética, o negativo, cuando se consume más energía que la que se libera, en reacciones denominadas endoenergéticas.

En la primera reacción nuclear inducida por medios artificiales (llevada a cabo en 1932), se bombardearon átomos de litio de número másico 7 con protones muy energéticos, para producir partículas alfa (núcleos de helio 4).

Tipos de reacciones nucleares

En esencia, cabe distinguir dos tipos de reacciones nucleares:

• Fisión nuclear: aquella en la que un átomo relativamente pesado se descompone en otros más ligeros en una reacción que suele acompañarse de la emisión de partículas radiactivas y de producción de grandes cantidades de energía. Esta reacción es común en la fabricación de bombas nucleares y es la que se induce en las centrales nucleares actuales para la obtención de energía eléctrica. Puede provocar problemas ambientales derivados de la necesidad de transportar y almacenar los residuos radiactivos peligrosos que produce y conlleva a estrictos controles de seguridad.
• Fusión nuclear: aquella en la que se unen dos núcleos ligeros para formar otro más pesado. Este tipo de reacción es la que tiene lugar en el interior de las estrellas (en las llamadas reacciones termonucleares) y les proporciona su brillo y su producción energética. En la escala terrestre, los experimentos realizados sobre fusión nuclear se enfrentan a un problema de primer orden: la dificultad de controlar las enormes cantidades de energía que se manejan en el proceso. No obstante, se considera que es la fuente de energía del futuro, por cuanto no produce residuos radiactivos peligrosos y podría obtenerse de combustibles tan económicos como el deuterio (hidrógeno 2) del agua del mar.

Fisión nuclear

La primera reacción nuclear realizada en la historia de la humanidad fue la fisión nuclear. Este proceso consiste, en sentido estricto, en la descomposición de un núcleo pesado en otros dos núcleos de masa y número atómico aproximadamente igual a la mitad del núcleo original. Los átomos de partida en los procesos de fisión nuclear son el uranio 235 (un isótopo raro del uranio, presente en 1/140 partes en sus menas naturales) y el plutonio.

Las reacciones de fisión son muy exoenergéticas, y su primera utilización histórica se produjo en la bomba atómica que cayó sobre Hiroshima (Japón) al final de la Segunda Guerra Mundial. Hoy día, la fisión nuclear se emplea con fines civiles (centrales nucleares), de transporte (propulsión nuclear) y militares (armamento atómico). La primera reacción de fisión autosostenida se logró en 1942 en la Universidad de Chicago, merced a los trabajos del equipo de este centro que dirigía el físico de origen italiano Enrico Fermi (1901-1954).

Un ejemplo clásico de reacción de fisión nuclear es la ruptura del núcleo de uranio 235 por bombardeo con neutrones lentos, para producir núcleos de bario 139 y kriptón 86, además de neutrones y una energía de salida de 175 MeV. El esquema de esta reacción es el siguiente:

La producción de once neutrones en salida de este proceso es fundamental para lograr la continuidad de la misma, en forma de una reacción en cadena.

Fusión nuclear

El proceso de fusión nuclear es conceptualmente inverso al de la fisión. En la fusión, dos núcleos ligeros se unen entre sí para constituir un átomo más pesado. El rendimiento energético de las reacciones de fusión es muy superior al de las de fisión. En términos de energía por nucleón, en la fisión se producen 0,74 MeV, mientras que en las reacciones de fusión esta cifra se eleva hasta 3,52 MeV.

La forma más típica de reacción de fusión nuclear es la conversión de dos núcleos de hidrógeno (uno de deuterio, o hidrógeno 2, y otro de tritio, o hidrógeno 3) en uno de helio, con emisión de un neutrón y una cantidad de energía muy elevada. El esquema de esta reacción es el siguiente:

La fusión nuclear, en diversas cadenas reactivas (protón-protón y ciclo del carbono), constituye la fuente de energía de las estrellas.