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Fisionable y fértil

A modo de simplificación podríamos decir que los núcleos atómicos están formados nucleones. Nucleones es el nombre genérico que se da a las partículas constituyentes de los núcleos atómicos, esto es, a los protones y a los neutrones.

En realidad tanto los protones como los neutrones están constituidos por tres quarks (quark es el nombre genérico de un grupo de partículas sub-elementales que interactúan fuertemente formando la materia nuclear). Los protones están conformados por dos “quark up” y un “quark down”, mientras que los neutrones lo están por un “quark up” y dos “quark down”. Los núcleos atómicos también contendrían piones (mesones pi), portadores de la interacción que mantiene unidos a los nucleones.

 

Número atómico y número másico

En un núcleo atómico, el número de protones, igual al número de electrones del átomo, es el número atómico Z, y el número total de nucleones es el número de masa, o número másico A, de modo que la diferencia A-Z correspondería al número de neutrones del átomo en cuestión. Los núcleos (nucleidos) se identifican completamente mediante su número atómico Z y su número másico A. Se representan como ZAM, donde M es el símbolo del elemento químico, pero dado que existe una relación biunívoca entre A y Z, es usual omitir el número atómico Z, y emplear tan sólo el número de masa, con lo que la representación más usual es AM.

Los isótopos de un elemento son cada uno de distintos nucleidos que tienen el mismo número atómico pero diferente número másico, es decir, tienen el mismo número de protones pero diferente número de neutrones.

 

Estabilidad nuclear y masa están relacionadas

La unidad de masa atómica unificada (símbolo, u) o preferiblemente, dalton (símbolo, Da) se define como la doceava parte (1/12) de la masa de un átomo, neutro y no enlazado, de carbono-12, en su estado fundamental eléctrico y nuclear, y equivale a 1,660538921(73) × 10−27 kg.

En esta escala, el neutrón tiene una masa de 1,0086650 Da, mientras que la masa de un átomo de hidrógeno, protón más electrón, es de 1,0078250 Da y la del protón es de 1,0072765 Da.

Los nucleones están enlazados en el núcleo por una fuerza atractiva extremadamente fuerte en distancias cortas que vence la repulsión electrostática entre los protones. La proporción entre el número de neutrones y protones del núcleo, y el tamaño del mismo influyen en su estabilidad, y, por tanto, en su reactividad.

La estabilidad de un núcleo viene dada por su energía de enlace nuclear, que es la energía desprendida cuando Z protones y A–Z neutrones se juntan para formar un núcleo. Esta energía se calcula a partir de la diferencia másica entre los nucleones libres y el núcleo formado, aplicando la ecuación de Einstein, E = m × c2. La energía de enlace por nucleón permite comparar la estabilidad de núcleos distintos.

La curva de energía de enlace por nucleón aumenta rápidamente a lo largo de los de los nucleidos más ligeros y alcanza un máximo en un número másico 56. La curva disminuye lentamente para los números másicos mayores de 60

Se ha observado que los nucleidos con un número par de protones y de neutrones son particularmente estables. La mayoría de los nucleidos estables contienen un número par de protones y un número par de neutrones. Sólo hay ocho nucleidos del tipo impar-impar, y de ellos sólo cinco son estables y se encuentran en la naturaleza: 2H, 6Li, 10B, 14N y 180Ta.

 

Número másico, A Número de protones, Z Número de neutrones, A-Z Número de nucleidos
par par par 157
par impar impar 5
impar par par 50
impar impar impar 52

 

Resulta que, para cada número atómico impar nunca existen más de dos nucleidos estables, mientras que para cada número atómico par existen hasta diez nucleidos estables. Se da la circunstancia que 43Tc y 61Pm, elementos con Z < 83, que nunca se han encontrado en la naturaleza, tienen ambos números atómicos impares.

Ciertos números de neutrones o de protones, denominados “números mágicos”, proporcionan una estabilidad nuclear particularmente elevada y abundan en la naturaleza. Estos números mágicos son 2, 8, 20, 28, 50, 82 y 126. Estos nucleidos son ejemplos de esta estabilidad: 24He, 816O, 2040Ca, 2860Ni y 82208Pb

La existencia de estos números mágicos sugiere un modelo de capas para el núcleo y un esquema de niveles de energía análogo al utilizado para los electrones en los átomos. Los números mágicos representan capas llenas de nucleones, de modo que los nucleidos con las capas llenas tienen mayor estabilidad nuclear, al igual que los átomos con capas llenas de electrones tienen mayor estabilidad química:

24He → 1s2

816O → 1s2 2s2 2p4

2040Ca → 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2

Grafica de estabilidad nuclear del número de neutrones frente al número de protones

Como muestra la figura los núcleos estables están dentro de una zona bien definida. Para los núcleos más ligeros que el 2040Ca casi todos los núcleos estables tienen igual número de protones y de neutrones. En cambio, entre los elementos más pesados los núcleos estables tienen más neutrones que protones, alcanzando una relación neutrón:protón de 1,5:1 para el 80200Hg. Parece que la causa de este comportamiento es la excesiva repulsión electrostática que existe en los núcleos con muchos protones, y aparentemente ésta se puede disminuir algo aumentando el número de neutrones y, con ello, el tamaño nuclear. Sin embargo, sea cual sea el número de neutrones presentes, parece existir un límite al número de protones que se puede empacar en un núcleo, ya que el núcleo más grande estable es el 83209Bi, y todos los núcleos más pesados que éste son inestables y, por lo tanto, radiactivos. Los núcleos que están fuera de la región de estabilidad de la figura (el trazado de recuadros negros) son inestables porque o tienen un exceso de neutrones (están a la izquierda) o tiene un exceso de protones (están a la derecha)

 

Radioactividad

Algunos nucleidos son estables, pero otros pueden emitir, o desprender, partículas subatómicas para lograr una configuración más estable de menor energía. Dichos nucleidos se denominan radionucleidos y el proceso en el cual liberan partículas y energía se conoce como decaimiento. El decaimiento radiactivo puede causar un cambio en el número de protones en el núcleo, y cuando esto sucede, cambia la naturaleza del nucleido (transmutación, transformación de un nucleido en otro por desintegración o por una reacción nuclear).

El decaimiento o desintegración radiactiva es un proceso espontáneo, aleatorio y exponencial. Consiste generalmente en que un núcleo “padre” se transforma en un núcleo “hijo” con la emisión o la absorción de una o más partículas. Todas las desintegraciones son transiciones mecánico-cuánticas, y están caracterizadas por una única energía. Existe una relación inversa entre la energía de desintegración y el período de semidesintegración. El periodo de semidesintegración (half-life), intervalo de tiempo necesario para que el número de átomos de un radionucleido se reduzca a la mitad por desintegración espontánea, es característico para cada radionucleido, y no es afectado por las condiciones físicas, químicas o biológicas del mismo.

Existen tres formas básicas de la desintegración radiactiva, la emisión alfa (α), la emisión beta (β) y la emisión gamma (γ) (también podría incluirse como una forma de desintegración la captura electrónica o captura K, aunque aquí no se ha incluido):

Emisión α: La partículas α son núcleos de helio, compuestos por dos protones y dos neutrones, 24He. Como consecuencia del decaimiento α, el núcleo “padre” se convierte en un núcleo “hijo” con un número atómico dos unidades más pequeño

ZAX 24He + (Z-2)(A-2)Y

Emisión β: La emisión β puede ser una emisión beta negativa, b, o una emisión beta positiva, b+.

Las partículas β son electrones, pero se originan en el núcleo del átomo, como resultado de la transformación de un neutrón nuclear en un protón nuclear (neutrón → protón + electrón). Como consecuencia de la emisión β, el núcleo “padre” se convierte en un  núcleo “hijo” con un número atómico una unidad más grande.

ZAX → -10e + (Z+1)AY

Las partículas β+ (positrones) son electrones de carga positiva que se originan en el proceso de desintegración radiactiva (protón → neutrón + positrón). Como consecuencia de la emisión β+, el núcleo “padre” se convierte en un núcleo “hijo” con un número atómico una unidad más pequeño. El positrón eyectado pierde su energía cinética por choques con los electrones del medio; cuando su velocidad es cercana al reposo se aniquila con un electrón y se emiten dos rayos gamma de 511 keV.

ZAX +10e + (Z-1)AY

En ambos casos se produce también la emisión de neutrinos (sin masa, ni carga)

Emisión γ: La emisión γ es radiación electromagnética, es decir, de naturaleza similar a la de la luz, pero de mucha mayor energía. La emisión γ no supone cambio alguno en el número atómico del núcleo.

La emisión de radiación γ suele ser consecuencia de una transformación primaria con emisión de partículas α o β.

 

Fusión nuclear y fisión nuclear

Por fusión nuclear se entiende la reacción entre núcleos de átomos ligeros que conduce a la formación de un núcleo más pesado que cualquiera de los iniciales, acompañada de una liberación de partículas elementales y de energía.

Por fisión nuclear se entiende la reacción nuclear en la que tiene lugar la rotura de un núcleo pesado, generalmente en dos fragmentos cuyos tamaños son del mismo orden de magnitud, acompañada de emisión de neutrones y radiaciones, con liberación de una gran cantidad de energía. Generalmente se produce como consecuencia de la captura de un neutrón, aunque existen casos de fisión por captura de un fotón u otras partículas, o por desintegración espontánea.

 

Fisionable y fértil

Un nucleido es “fisible”, “fisionable” o “físil” cuando su núcleo es capaz de experimentar una fisión con neutrones libres de cualquier energía. Son isótopos fisionables, entre otros:

233U y 235U

238Np

238Pu, 239Pu, 241Pu y 243Pu

241Am, 242Am y 244Am

242Cm, 243Cm, 244Cm y 245Cm

Se ha sugerido que son isótopos fisionables los que cumplen la denominada “regla físil” (Fissile Rule), que establece que son fisionables los nucleidos con número atómico 90 ≤ Z ≤ 100 y (2×Z)-N = (43 ± 2), siendo Z el número de protones y N el número de neutrones.

Existe una leve diferencia entre físil y fisionable (fissile material-fissionable material):

Por físil se entiende un nucleido que se fisiona fácilmente después de absorber un neutrón de cualquier energía. Lo que es especialmente significativo sobre estos nucleidos es su capacidad para sufrir fisión por captura de neutrones térmicos (de energía cinética prácticamente nula). La fisión con neutrones térmicos es posible en estos nucleidos dado que el cambio en la energía de enlace producido por la captura de los neutrones es suficientemente elevado como para sobrepasar la energía crítica del nucleido. El 235U, el 233U, el 239Pu  y el 241Pu son nucleidos físiles. El 235U es el único nucleido natural físil.

Por fisionable se entiende un nucleido que se fisiona por captura de un neutrón. El término fisionable se utiliza comúnmente como sinónimo de material físil, pero aunque todos los nucleidos físiles son nucleidos fisionables, no todos los nucleidos fisionables son físiles. Hay nucleidos que sólo sufren fisión con neutrones de alta energía (neutrones “rápidos”), debido a que el cambio en la energía de enlace producido por la captura de los neutrones no es suficientemente como para sobrepasar la energía crítica, y se requiere una energía adicional proporcionada por la energía cinética de estos neutrones “rápidos”.

La razón de esta diferencia entre los nucleidos físiles y fisionables parece estar en el denominado efecto par-impar de los núcleos. Se ha observado que los núcleos con números de neutrones y protones son más estables que aquellos con números impares. Por lo tanto, la captura de un neutrón por un núcleo con un número impar de neutrones para transformarse en un núcleo con un número par de neutrones produce una energía de enlace sensiblemente mayor de la captura de un neutrón por un núcleo con un número par de neutrones. Algunos ejemplos de nucleidos que requieren neutrones de alta energía para su fisión son el 232Th, el 238U y el 240Pu.

La fisión del 235U con neutrones térmicos es posible porque la captura de un neutrón térmico produce una energía de enlace mayor que la energía crítica de fisión, y por tanto el 235U es un material físil. Cuando el 238U captura un neutrón térmico la energía de enlace producida es menor que la energía crítica de fisión, se requiere un aporte adicional de energía para que la fisión tenga lugar, y por tanto el 238U es un material fisionable.

Un nucleido es “fértil” cuando, a través de captura neutrónica (neutrones térmicos), se transforma en un material fisionable, por irradiación en un reactor nuclear. Básicamente existen dos materiales fértiles, 238U y 232Th. Cuando estos materiales fértiles capturan neutrones, se convierten respectivamente en 239Pu y 233U, ambos nucleidos físiles.

El 238U puede sufrir fisión si el neutrón incidente (capturado) es de alta energía, pero presenta una energía umbral por debajo de la cual no se produce fisión. Sin embargo si captura un neutrón se transforma en 239U que es altamente inestable y por emisión βse transforma en 239Np el cual vuelve a desintegrarse por emisión βpara generar finalmente 239Pu. El 239Pu, como el 235U es físil. También es fértil el 232Th, que por captura neutrónica pasa a 233Th, el cual se desintegra por emisión β en 233Pa que finalmente produce por emisión β 233U, un nucleido físil.

Productos de reacción en un reactor de agua ligera después alcanzar un grado de combustión de  33000 MWd/t U

Un nucleido “fértil” puede ser utilizado, junto con otro nucleido “físil” como combustible nuclear en un reactor de fisión. Si un reactor contiene material fértil además de  combustible fisible, se producirá cierta cantidad de combustible a medida que se va quemando el combustible original. Si la cantidad producida de combustible fisionable es menor que la cantidad de combustible quemado el proceso se denomina “conversión”, y el reactor se denomina “convertidor”. Si la cantidad producida de combustible fisionable es mayor que la cantidad de combustible quemado el reactor se denomina se denomina “reproductor” (breeder reactor).

 

Referencias

  1. “Particles and Nuclei-An Introduction to the Physical Concepts”, B. Povh, K. Rith, C. Scholz & F. Zetsche, Springer-Verlag, 2006
  2. “Handbook of Nuclear Chemistry”, A. Vértes, S. Nagy, Z. Klencsár, R. G. Lovas & F. Rösch, 2nd Edition, Springer, 2011
  3. “Principios básicos de la física atómica y nuclear”, http://cidbimena.desastres.hn/pdf/spa/doc2016/doc2016-1.pdf
  4. “Química nuclear”, GeCo USB, http://gecousb.com.ve/guias/GECO/Qu%C3%ADmica%20General%203%20(QM-1123)/Material%20Te%C3%B3rico%20(QM-1123)/QM-1123%20Qu%C3%ADmica%20Nuclear.pdf
  5. “Unidad de masa atómica unificada o Dalton”, https://es.wikipedia.org/wiki/Unidad_de_masa_at%C3%B3mica
  6. “Diccionario español de la energía”, ENRESA
  7. “2003 Nuclear Terms Handbook”, The United States Department of Homeland Security, Office of Science and Technology, 2003
  8. “Química Nuclear”, Facultad de Farmacia, Universidad de Alcalá, http://www3.uah.es/edejesus/resumenes/QG/Tema_2.pdf
  9. “Some remarks on the fissile isotopes”, Yigal Ronen, Annals of Nuclear Energy 37 (2010) 1783–1784
  10. “Fissile vs Fissionable Material: What’s the diff?”, https://web.stanford.edu/~imalone/FissilevFissionable.pdf
  11. “The Basic Rules, Nuclear Stability, Radioactive Decay and Radioactive Dating”, http://www.whoi.edu/cms/files/wjenkins/2006/9/Notes01_13646.pdf
  12. “DOE fundamentals handbook-nuclear physics and reactor theory”, Volume 1, https://energy.gov/sites/prod/files/2013/06/f2/h1019v1.pdf