Fisión, fusión y transmutación nuclear: historia, reactores y medición de la radiación

Transmutación y descubrimientos históricos

Transmutación: cambio de elemento mediante la variación del número de protones (p+).

1. Rutherford (1909–1919)

   Experimento de la lámina de oro y desarrollo del modelo nuclear del átomo; en 1919 identificó el protón como producto en ciertas reacciones nucleares.

2. Cockcroft–Walton (1932)

   Acelerador que permitió bombardear con protones de alta energía. Permitió estudios de ionización del hidrógeno, rayos catódicos y detección de partículas α.

3. Enrico Fermi (1934)

   Uso de neutrones para inducir transmutaciones: captura de neutrones, emisión de radiación (γ) en muchos casos y empleo de neutrones de baja energía para producir nuevos núclidos y reacciones nucleares.

Fusión nuclear

La fusión ocurre cuando dos núcleos ligeros se unen; para vencer la repulsión electrostática se requieren temperaturas y presiones muy altas, y el proceso libera energía.

Ejemplo representativo:

₁²H + ₁³H → ₂⁴He + ₀¹n + energía

Fisión nuclear

En 1938 Otto Hahn y Fritz Strassmann observaron productos ligeros (como bario) al bombardear uranio con neutrones; esto demostró la división de un núcleo en fragmentos más pequeños y la posibilidad de obtener una reacción en cadena.

Reacción típica:

₉₂²³⁵U + ₀¹n → ₉₂²³⁶U* → productos de fisión + neutrones

Etapas de una reacción en cadena

• Inicio: captura de neutrones por el núcleo objetivo.
• Propagación: las fisiones sucesivas liberan más neutrones que mantienen la cadena.
• Término: cuando la masa crítica no se mantiene (masa radiactiva se agota o neutrones escapan sin ser capturados) la reacción se detiene.

Bomba atómica y reactores

En una bomba atómica se fuerza la unión de secciones mediante explosivos para lograr una reacción en cadena descontrolada. Ejemplos históricos: U‑235 (Hiroshima) y Pu‑239 (Nagasaki).

En los reactores nucleares la fisión se controla para producir calor mediante reacciones lentas y reguladas; ese calor se convierte posteriormente en electricidad.

Tipos de moderadores y reactores

• Reactor de agua ligera (LWR): utiliza H₂O como moderador; reduce la energía cinética de los neutrones y, debido a su mayor absorción de neutrones, suele requerir uranio enriquecido en U‑235.
• Reactor de agua pesada: utiliza D₂O (agua pesada) como moderador; absorbe menos neutrones que el agua ligera, por lo que puede operar con uranio natural y es más eficiente desde ese punto de vista.
• Reactor criador (breeder): utiliza uranio (o torio) como combustible y convierte material fértil (por ejemplo U‑238) en material fisible (por ejemplo Pu‑239), pudiendo producir más material fisible del que consume.

Medición de la radiación

La radiación se mide con detectores como el contador Geiger, que funciona por detección de la ionización de la materia. El tubo Geiger es un detector que contiene dos electrodos (ánodo positivo y cátodo) en una cámara con gas, por ejemplo argón; la radiación ioniza el gas y genera una señal de diferencia de potencial entre los electrodos, que luego se amplifica y cuenta.

Unidades de medida

• Becquerel (Bq): mide la velocidad de desintegración (desintegraciones por segundo).
• Curie (Ci): unidad histórica; 1 Ci = 3.7×10¹⁰ desintegraciones por segundo.
• Roentgen (R): medida de exposición a la radiación; según la definición histórica corresponde aproximadamente a 2.1×10⁹ ionizaciones en aire seco por cada roentgen.
• Gray (Gy): unidad de dosis absorbida: equivale a la absorción de 1 joule de energía ionizante por cada kilogramo de material o tejido irradiado.
• Sievert (Sv): unidad de dosis equivalente que tiene en cuenta el daño biológico según el tipo de radiación y la absorción; se relaciona con unidades antiguas como el rad y el rem.
• Rad / Rem: unidades históricas: rad mide dosis absorbida; rem pondera esa dosis según el daño biológico asociado al tipo de radiación.

Nota: las unidades y definiciones históricas (R, Ci, rad, rem) aparecen con frecuencia en literatura antigua; en la práctica actual se emplean mayoritariamente el becquerel (Bq), el gray (Gy) y el sievert (Sv) para cuantificar actividad, dosis absorbida y efecto biológico, respectivamente.