Físicos demostraron que la Fisión de la Cadena Nuclear Controlada era posible, hace 75 años

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Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. La publicación contribuyó con el artículo a Voces expertas de Live Science: Op-Ed & Insights.

Durante las vacaciones de Navidad en 1938, los físicos Lise Meitner y Otto Frisch recibieron misteriosas noticias científicas en una carta privada del químico nuclear Otto Hahn. Al bombardear uranio con neutrones, Hahn hizo algunas observaciones sorprendentes que iban en contra de todo lo que se sabía en ese momento sobre los densos núcleos de los átomos: sus núcleos.

Meitner y Frisch pudieron dar una explicación de lo que vio que revolucionaría el campo de la física nuclear: un núcleo de uranio podría dividirse por la mitad, o fisión, como lo llamaron, produciendo dos nuevos núcleos, llamados fragmentos de fisión. Más importante aún, este proceso de fisión libera enormes cantidades de energía. Este hallazgo en los albores de la Segunda Guerra Mundial fue el comienzo de una carrera científica y militar para comprender y utilizar esta nueva fuente atómica de poder.

La publicación de estos hallazgos a la comunidad académica inmediatamente inspiró a muchos científicos nucleares a investigar más a fondo el proceso de fisión nuclear. El físico Leo Szilard realizó una importante constatación: si la fisión emite neutrones y los neutrones pueden inducir la fisión, los neutrones de la fisión de un núcleo podrían causar la fisión de otro núcleo. Todo podría ir en cascada en un proceso autosostenido de "cadena".

Así comenzó la búsqueda para probar experimentalmente que una reacción en cadena nuclear era posible, y hace 75 años, los investigadores de la Universidad de Chicago tuvieron éxito, abriendo la puerta a lo que se convertiría en la era nuclear.

Leo Szilard da una conferencia sobre el proceso de fisión.

            Crédito: Argonne National Laboratory

Aprovechar la fisión

Como parte del esfuerzo del Proyecto Manhattan para construir una bomba atómica durante la Segunda Guerra Mundial, Szilard trabajó junto con el físico Enrico Fermi y otros colegas en la Universidad de Chicago para crear el primer reactor nuclear experimental del mundo.

Para una reacción sostenida y controlada en cadena, cada fisión debe inducir solo una fisión adicional. Más, y habría una explosión. Menos y la reacción se acabaría.

En estudios anteriores, Fermi había descubierto que los núcleos de uranio podrían absorber neutrones más fácilmente si los neutrones se movían con relativa lentitud. Pero los neutrones emitidos por la fisión del uranio son rápidos. Entonces, para el experimento de Chicago, los físicos usaron grafito para disminuir la velocidad de los neutrones emitidos, a través de múltiples procesos de dispersión. La idea era aumentar las posibilidades de los neutrones de ser absorbidos por otro núcleo de uranio.

Para asegurarse de que pudieran controlar con seguridad la reacción en cadena, el equipo armó lo que llamaron "barras de control". Estas eran simplemente láminas del elemento cadmio, un excelente absorbente de neutrones. Los físicos intercalaron varillas de control a través de la pila de uranio y grafito. En cada paso del proceso, Fermi calculó la emisión esperada de neutrones y lentamente retiró una barra de control para confirmar sus expectativas. Como mecanismo de seguridad, las varillas de control de cadmio podrían insertarse rápidamente si algo comenzaba a ir mal, para detener la reacción en cadena.

Llamaron a esta configuración Chicago Pile Number One de 20x6x25 pies, o CP-1 para abreviar, y fue aquí donde obtuvieron la primera reacción en cadena nuclear controlada del mundo el 2 de diciembre de 1942. Un solo neutrón aleatorio fue suficiente para iniciar el proceso de reacción en cadena una vez que los físicos ensamblaron CP-1. El primer neutrón induciría la fisión en un núcleo de uranio, emitiendo un conjunto de nuevos neutrones. Estos neutrones secundarios golpean los núcleos de carbono en el grafito y disminuyen la velocidad. Luego se toparon con otros núcleos de uranio e indujeron una segunda ronda de reacciones de fisión, emitieron aún más neutrones, y así sucesivamente. Las barras de control de cadmio se aseguraron de que el proceso no continuara indefinidamente, porque Fermi y su equipo podían elegir exactamente cómo y dónde insertarlos para controlar la reacción en cadena.

Controlar la reacción en cadena era extremadamente importante: si el equilibrio entre los neutrones producidos y los absorbidos no era exactamente correcto, entonces las reacciones en cadena o no avanzarían en absoluto, o en el otro extremo mucho más peligroso, las reacciones en cadena se multiplicarían rápidamente con el lanzamiento de enormes cantidades de energía.

A veces, unos pocos segundos después de que ocurre la fisión en una reacción en cadena nuclear, se liberan neutrones adicionales. Los fragmentos de fisión son típicamente radiactivos y pueden emitir diferentes tipos de radiación, entre ellos los neutrones. Inmediatamente, Enrico Fermi, Leo Szilard, Eugene Wigner y otros reconocieron la importancia de estos llamados "neutrones retrasados" para controlar la reacción en cadena.

Si no se tienen en cuenta, estos neutrones adicionales inducirían más reacciones de fisión de lo previsto. Como resultado, la reacción en cadena nuclear en su experimento de Chicago podría haber perdido el control, con resultados potencialmente devastadores. Más importante aún, sin embargo, este retraso entre la fisión y la liberación de más neutrones permite que los seres humanos reaccionen y realicen ajustes, controlando el poder de la reacción en cadena para que no avance demasiado rápido.

Los eventos del 2 de diciembre de 1942 marcaron un gran hito. Descubrir cómo crear y controlar la reacción en cadena nuclear fue la base de los 448 reactores nucleares que producen energía en todo el mundo en la actualidad. En la actualidad, 30 países incluyen reactores nucleares en su cartera de energía. Dentro de estos países, la energía nuclear contribuye en promedio con el 24 por ciento de su energía eléctrica total, que llega hasta el 72 por ciento en Francia.

El éxito de CP-1 también fue esencial para la continuación del Proyecto Manhattan y la creación de las dos bombas atómicas utilizadas durante la Segunda Guerra Mundial.

Preguntas restantes de los físicos

La búsqueda para comprender la emisión retardada de neutrones y la fisión nuclear continúa en los laboratorios modernos de física nuclear. La carrera de hoy no es para construir bombas atómicas o incluso reactores nucleares; es para la comprensión de las propiedades básicas de los núcleos a través de una estrecha colaboración entre el experimento y la teoría.

Los investigadores han observado la fisión experimentalmente solo para un pequeño número de isótopos, las distintas versiones de un elemento según la cantidad de neutrones que tienen cada uno, y los detalles de este complejo proceso aún no se conocen bien. Los modelos teóricos de última generación intentan explicar las propiedades de fisión observadas, como la cantidad de energía que se libera, el número de neutrones emitidos y las masas de los fragmentos de fisión.

La emisión retardada de neutrones ocurre solo en núcleos que no se producen de manera natural, y estos núcleos viven solo por un corto período de tiempo. Si bien los experimentos han revelado algunos de los núcleos que emiten neutrones retrasados, todavía no podemos predecir de manera confiable qué isótopos deberían tener esta propiedad. Tampoco conocemos las probabilidades exactas para la emisión de neutrones retrasada o la cantidad de energía liberada, propiedades que son muy importantes para comprender los detalles de la producción de energía en los reactores nucleares.

Además, los investigadores están tratando de predecir nuevos núcleos donde la fisión nuclear podría ser posible. Están construyendo nuevos experimentos y potentes instalaciones nuevas que proporcionarán acceso a núcleos que nunca antes se habían estudiado, en un intento de medir todas estas propiedades directamente. Juntos, los nuevos estudios teóricos y experimentales nos darán una comprensión mucho mejor de la fisión nuclear, que puede ayudar a mejorar el rendimiento y la seguridad de los reactores nucleares.

Tanto la fisión como la emisión de neutrones retardada son procesos que también ocurren dentro de las estrellas. La creación de elementos pesados, como la plata y el oro, en particular puede depender de la fisión y de las propiedades de emisión de neutrones retardada de los núcleos exóticos. La fisión rompe los elementos más pesados ​​y los reemplaza por otros más ligeros (fragmentos de fisión), cambiando por completo la composición del elemento de una estrella. La emisión de neutrones retrasada agrega más neutrones al entorno estelar, que luego puede inducir nuevas reacciones nucleares. Por ejemplo, las propiedades nucleares desempeñaron un papel vital en el evento de fusión estrella de neutrones que fue descubierto recientemente por observatorios de ondas gravitacionales y electromagnéticos en todo el mundo.

La ciencia ha recorrido un largo camino desde la visión de Szilard y la prueba de Fermi de una reacción en cadena nuclear controlada. Al mismo tiempo, han surgido nuevas preguntas y aún queda mucho por aprender sobre las propiedades nucleares básicas que impulsan la reacción en cadena y su impacto en la producción de energía aquí en la Tierra y en otras partes de nuestro universo.

Artemis Spyrou, Profesora Asociada de Astrofísica Nuclear, Universidad Estatal de Michigan y Wolfgang Mittig, Profesor de Física, Universidad Estatal de Michigan

Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation. Lea el artículo original.

        

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