FISIÓN NUCLEAR

Cuando un núcleo se fisiona se divide en varios fragmentos más pequeños. Estos fragmentos, o los productos de la fisión, son aproximadamente la mitad de la masa original. Dos o tres neutrones también se emiten. La suma de las masas de estos fragmentos es menor que la masa original. Esta masa ' que falta ' (cerca de 0,1 por ciento de la masa original) se ha convertido en energía según la ecuación de Einstein. La fisión puede ocurrir cuando un núcleo de un átomo pesado captura un neutrón, o puede suceder espontáneamente.

REACCIONES NUCLEARES EN CADENA

Una reacción en cadena se refiere a un proceso en el cual los neutrones liberados en una fisión producen una fisión adicional en por lo menos un núcleo más. Este núcleo nuevamente produce neutrones y la repetición del proceso. El proceso puede ser controlado (energía atómica) o incontrolado (las armas nucleares). Si cada neutrón produce dos más neutrones, entonces el número de fisiones se dobla cada generación. En ese caso, en 10 generaciones hay 1024 fisiones y en 80 generaciones cerca de 6 x 10 23 fisiones (un mol).

FISIÓN NUCLEAR CONTROLADA

Para mantener una reacción controlada mantenida, por cada 2 o 3 neutrones producidos, solamente uno se debe permitir chocar con otro núcleo de uranio. Si esta relación de transformación es menor de uno entonces la reacción morirá; si es mayor de uno crecerá incontroladamente (una explosión atómica). Las reacciones nucleares se controlan por un material absorbente de neutrones, tal como grafito.

¿POR QUÉ URANIO Y PLUTONIO? Los científicos sabían que el isótopo más común, uranio 238, no era conveniente para un arma nuclear. Hay una probabilidad bastante alta de que un neutrón incidente sea capturado para formar uranio 239 en vez de causar una fisión. Sin embargo, el uranio 235 tiene una alta probabilidad de fisión. Del uranio natural, solamente 0,7% es uranio 235. Esto significó que se necesitaba una gran cantidad de uranio para obtener las cantidades necesarias del uranio 235. Además, el uranio 235 no se puede separar químicamente del uranio 238, puesto que los isótopos son químicamente similares. Hubo que desarrollar métodos alternativos para separar los isótopos. Éste fue otro problema que los científicos del proyecto Manhattan tuvieron que solucionar antes de que la bomba pudo construirse. La investigación también había predicho que el plutonio 239 tendría una alta probabilidad de fisión. Sin embargo, el plutonio 239 no es un elemento que exista naturalmente y tendría que ser fabricado. Los reactores en Hanford, Washington fueron construidos para producir el plutonio.

ENERGÍA OBTENIDA EN CADA FISIÓN

U235 + n -> fission + 2 or 3 n + 200 MeV 165 MeV

~ kinetic energy of fission products

7 MeV

~ gamma rays

6 MeV

~ gamma rays from fission products

6 MeV

~ kinetic energy of the neutrons

7 MeV

~ energy from fission products

9 MeV

~ anti-neutrinos from fission products

Total 200 MeV

1 MeV (million electron volts) = 1.609 x 10 -13 joules

FISIÓN ESPONTANEA

La tasa de fisión espontánea es la probabilidad por segundo que un átomo dado fisione espontáneamente sin ninguna intervención externa. Si ocurre una fisión espontánea antes de que la bomba esté completamente lista, podría detonarla. El plutonio 239 tiene una tasa espontánea muy alta de fisión comparada al índice espontáneo de la fisión del uranio 235. Los científicos tuvieron que considerar el índice espontáneo de fisión de cada material al diseñar las armas nucleares.

LITTLE BOY: A GUN-TYPE BOMB

Esencialmente, el diseño de esta bomba consistió en un cañón que encendió una masa del uranio 235 en otra masa del uranio 235, creando así una masa supercrítica. Un requisito crucial era que los pedazos sean reunidos en un tiempo más corto que el tiempo entre fisiones espontáneas. Una vez que los dos pedazos de uranio se reúnan, el iniciador introduce una explosión de neutrones y la reacción en cadena comienza, continuando hasta que la energía entregada llega a ser tan grande que la bomba simplemente explota. .

TIEMPO DE REACIÓN El neutrón liberado viaja a las velocidades de cerca de 10 millones de metros por segundo, o alrededor del 3% la velocidad de la luz. El tiempo característico para una generación es aproximadamente el tiempo requerido para atravesar el diámetro de la esfera del material fisionable. Una masa crítica del uranio tiene un tamaño aproximado de una bola de béisbol (0,1 metros). El tiempo, T, que el neutrón tomaría para cruzar la esfera es:

T=

0.1 meters/1 x 10 7 meters/second =

1 x 10 -8 seconds

El proceso completo de la explosión de una bomba es cerca de 80 por este número, o alrededor de un microsegundo. Este tiempo fue concido informalmente como ' sacudida ' (" tan rápida como la sacudida de la cola de un cordero ") por los físicos en Los Alamos..

FAT MAN: IMPLOSION-TYPE BOMB

El alto índice espontáneo de fisión del plutonio 239 hizo necesario diseñar un tipo de bomba diferente. Una bomba del tipo gun no sería suficientemente rápida para funcionar. Antes de que la bomba pudiera ser ensamblada, algunos neutrones perdidos habrían sido emitidos, y éstos comenzarían una reacción en cadena prematura propiciando una gran reducción en la energía producida. Seth Neddermeyer, científico en Los Alamos, desarrolló la idea de usar cargas explosivas para comprimir una esfera del plutonio muy rápidamente a una densidad suficiente para hacerla crítica y producir una explosión nuclear.

SECUENCIA DE LA DETONACIÓN 1. El potente explosivo que rodea el material fisible se enciende. 2. Una onda expansiva de compresión comienza a moverse hacia adentro. La onda expansiva se mueve más rápidamente que la velocidad del sonido y crea un aumento grande en la presión. La onda expansiva afecta a todas los puntos en la superficie de la esfera del material fisible en la base de la bomba en el mismo instante. Esto comienza el proceso de la compresión. 3. La densidad va aumentando, la masa llega a ser crítica, y después supercrítica (donde las reacciones en cadena crecen exponencialmente). 4. Ahora el iniciador es activado, produciendo muchos neutrones, para evitar muchas generaciones iniciales. 5. La reacción en cadena continúa hasta que la energía generada dentro de la bomba llega a ser tan grande que la presión interna debido a la energía de los fragmentos de la fisión excede la presión de la implosión debido a la onda expansiva. 6. Mientras que la bomba se desambla, la energía entregada en el proceso de fisión se transfiere a los alrededores.