En el reino subatómico gobernado por las reglas de la mecánica cuántica, un proceso llamado fisión proporciona la fuente fundamental de energía tanto para las bombas atómicas como para los reactores nucleares. Lo que separa estos dos resultados muy diferentes, uno violento y el otro controlado, es el concepto de masa crítica, una línea divisoria imaginaria que determina si una reacción nuclear es lenta y prolongada o rápida y de corta duración.
Fisión atómica
Los átomos de elementos inestables como el uranio y el plutonio se dividen en pares de elementos más ligeros cuando sufren descomposición radiactiva, un proceso llamado fisión. Por ejemplo, el uranio 235 puede dividirse en criptón 89 y bario 144, una fisión que también emite dos neutrones sobrantes. Los elementos más ligeros también pueden ser inestables, continuando como una cadena de desintegración radiactiva que puede incluir una docena o más de elementos y tomar millones de años en completarse.
Reacciones en cadena y probabilidad
Un núcleo de uranio se divide en dos más ligeros. elementos cuando absorbe un neutrón perdido; El neutrón desestabiliza el núcleo, por lo que es más probable que sufra una fisión. Debido a que una fisión produce neutrones libres, pueden golpear átomos vecinos, haciendo que también se dividan, creando una reacción en cadena de eventos de fisión. Como las reacciones nucleares son de naturaleza mecánica cuántica, se rigen por las probabilidades y el azar. Cuando es menos probable que ocurran reacciones en cadena, se extinguen, ya que cada vez menos neutrones desencadenan fisión sucesivas. Cuando las circunstancias favorecen las reacciones en cadena, las fisiones continúan de manera constante. Y cuando las fisión son muy probables, las reacciones en cadena se aceleran, dividiendo un número cada vez mayor de átomos y liberando su energía.
Masa crítica
La probabilidad de fisión y reacciones en cadena depende en parte de la masa del radioactivo material involucrado En un punto llamado masa crítica, las reacciones en cadena son en gran medida autosuficientes, pero no aumentan. Cada elemento radiactivo tiene una masa crítica específica para una esfera de la sustancia; por ejemplo, la masa crítica de uranio-235 es de 56 kg, mientras que solo se requieren 11 kg de plutonio-239. Los científicos que mantienen existencias de materiales radiactivos los almacenan de tal manera que estas cantidades nunca ocurren en la misma vecindad general; de lo contrario, pueden producir explosiones violentas de radiación letal.
Masa subcrítica y supercrítica
Para una forma esférica de sustancia radiactiva, aumentar la masa aumenta el número de neutrones emitidos en un momento dado y la probabilidad de que Las fisión conducen a reacciones en cadena. Las cantidades más pequeñas que una masa crítica de un elemento radiactivo tienen reacciones en cadena, pero es más probable que desaparezcan que continúen. Más allá de la masa crítica, la tasa de fisión aumenta, lo que lleva a una situación peligrosa y fuera de control. Las plantas de energía nuclear utilizan cantidades subcríticas de elementos radiactivos, suficientes para producir cantidades generosas de energía, pero que, por razones de seguridad, nunca pueden provocar una explosión nuclear. Las bombas atómicas, por el contrario, usan una cantidad de materiales mucho más cercana a una masa crítica. Una bomba atómica permanece subcrítica hasta que se dispara con una explosión de neutrones y se exprime con una explosión de explosivos convencionales. Los explosivos hacen que el material se vuelva momentáneamente supercrítico; las reacciones en cadena se descontrolan en unas pocas millonésimas de segundo, liberando el equivalente energético de decenas de miles de toneladas de TNT.
