Durante las vacaciones de Navidad en 1938, los físicos Lise Meitner y Otto Frisch recibieron noticias científicas desconcertantes en una carta privada del químico nuclear Otto Hahn. Al bombardear uranio con neutrones, Hahn había hecho algunas observaciones sorprendentes que iban en contra de todo lo conocido en ese momento sobre los densos núcleos de átomos: sus núcleos.
Meitner y Frisch pudieron proporcionar 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 llamaban, 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.
Leo Szilard da conferencias sobre el proceso de fisión (Laboratorio Nacional de Argonne, CC BY-NC-SA) La publicación de estos hallazgos a la comunidad académica inmediatamente inspiró a muchos científicos nucleares a investigar más el proceso de fisión nuclear. El físico Leo Szilard hizo una realización importante: si la fisión emite neutrones, y los neutrones pueden inducir la fisión, entonces los neutrones de la fisión de un núcleo podrían causar la fisión de otro núcleo. Todo podría caer en cascada en un proceso de "cadena" autosostenido.
Así comenzó la búsqueda para probar experimentalmente que era posible una reacción en cadena nuclear, 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.
Aprovechando 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 de la Universidad de Chicago para crear el primer reactor nuclear experimental del mundo.
Para una reacción en cadena controlada y sostenida, cada fisión debe inducir solo una fisión adicional. Un poco más, y habría una explosión. Menos y la reacción se agotaría.
El ganador del Premio Nobel Enrico Fermi dirigió el proyecto (Laboratorio Nacional de Argonne, CC BY-NC-SA) En estudios anteriores, Fermi había descubierto que los núcleos de uranio absorberían los neutrones más fácilmente si los neutrones se movían de manera relativamente lenta. Pero los neutrones emitidos por la fisión del uranio son rápidos. Entonces, para el experimento de Chicago, los físicos usaron grafito para frenar 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 intercalan barras de control a través de la pila de uranio y grafito. En cada paso del proceso, Fermi calculó la emisión de neutrones esperada y lentamente retiró una barra de control para confirmar sus expectativas. Como mecanismo de seguridad, las barras de control de cadmio podrían insertarse rápidamente si algo comenzara a salir mal, para detener la reacción en cadena.
Chicago Pile 1, erigido en 1942 en las gradas de un campo deportivo en la Universidad de Chicago. (Laboratorio Nacional de Argonne, CC BY-NC-SA) Llamaron a esta configuración Chicago Pile Number One de 20x6x25 pies, o CP-1 para abreviar, y fue aquí donde obtuvieron la primera reacción nuclear en cadena controlada del mundo el 2 de diciembre de 1942. Un solo neutrón aleatorio fue suficiente para comenzar el proceso de reacción en cadena una vez que los físicos reunieron CP-1. El primer neutrón induciría fisión en un núcleo de uranio, emitiendo un conjunto de nuevos neutrones. Estos neutrones secundarios golpean los núcleos de carbono en el grafito y se ralentizan. 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 insertarlas para controlar la reacción en cadena.
Una reacción en cadena nuclear. Las flechas verdes muestran la división de un núcleo de uranio en dos fragmentos de fisión, emitiendo nuevos neutrones. Algunos de estos neutrones pueden inducir nuevas reacciones de fisión (flechas negras). Algunos de los neutrones pueden perderse en otros procesos (flechas azules). Las flechas rojas muestran los neutrones retrasados que vienen después de los fragmentos de fisión radiactiva y que pueden inducir nuevas reacciones de fisión. (MikeRun modificado por Erin O'Donnell, MSU, CC BY-SA) El control de la reacción en cadena era extremadamente importante: si el equilibrio entre los neutrones producidos y absorbidos no era exactamente correcto, entonces las reacciones en cadena no continuarían en absoluto, o en el otro extremo mucho más peligroso, las reacciones en cadena se multiplicarían rápidamente con la liberación de enormes cantidades de energía.
A veces, unos segundos después de que se produce 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 neutrones. De inmediato, Enrico Fermi, Leo Szilard, Eugene Wigner y otros reconocieron la importancia de estos llamados "neutrones retrasados" en el control de la reacción en cadena.
Si no se tuvieran 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 haberse descontrolado, con resultados potencialmente devastadores. Sin embargo, lo más importante es que este retraso entre la fisión y la liberación de más neutrones permite que los seres humanos tengan tiempo para reaccionar y realizar ajustes, controlando el poder de la reacción en cadena para que no se desarrolle demasiado rápido.
Las centrales nucleares operan en 30 países hoy. (Foto AP / John Bazemore) Los acontecimientos 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 actualmente producen energía en todo el mundo. En la actualidad, 30 países incluyen reactores nucleares en su cartera de energía. Dentro de estos países, la energía nuclear contribuye en promedio el 24 por ciento de su energía eléctrica total, que llega hasta el 72 por ciento en Francia.
El éxito del 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 modernos laboratorios de física nuclear. La carrera de hoy no es para construir bombas atómicas o incluso reactores nucleares; Es para comprender 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 diversas versiones de un elemento basadas en cuántos neutrones tiene cada uno, y los detalles de este complejo proceso aún no se comprenden bien. Los modelos teóricos de última generación intentan explicar las propiedades de fisión observadas, como cuánta energía se libera, la cantidad de neutrones emitidos y las masas de los fragmentos de fisión.
La emisión retardada de neutrones ocurre solo para los núcleos que no se producen naturalmente, y estos núcleos viven solo por un corto período de tiempo. Si bien los experimentos han revelado algunos de los núcleos que emiten neutrones retardados, todavía no podemos predecir de manera confiable qué isótopos deberían tener esta propiedad. Tampoco conocemos las probabilidades exactas de emisión tardía de neutrones 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 nuevas y potentes instalaciones que proporcionarán acceso a núcleos que nunca antes se habían estudiado, en un intento de medir todas estas propiedades directamente. Juntos, los nuevos estudios experimentales y teóricos nos darán una mejor comprensión de la fisión nuclear, lo que puede ayudar a mejorar el rendimiento y la seguridad de los reactores nucleares.
Representación artística de dos estrellas de neutrones fusionadas, otra situación en la que se produce la fisión. (Centro de vuelo espacial Goddard de la NASA / CI Lab, CC BY) Tanto la fisión como la emisión retardada de neutrones 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 las propiedades de emisión de neutrones retardados de los núcleos exóticos. La fisión rompe los elementos más pesados y los reemplaza por otros más ligeros (fragmentos de fisión), cambiando completamente la composición del elemento de una estrella. La emisión retardada de neutrones agrega más neutrones al ambiente estelar, lo que puede inducir nuevas reacciones nucleares. Por ejemplo, las propiedades nucleares desempeñaron un papel vital en el evento de fusión de la estrella de neutrones que fue descubierto recientemente por observatorios de ondas gravitacionales y electromagnéticas en todo el mundo.
La ciencia ha recorrido un largo camino desde la visión de Szilard y la prueba de Fermi de una reacción nuclear en cadena controlada. Al mismo tiempo, han surgido nuevas preguntas, y todavía hay mucho que 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.
Este artículo fue publicado originalmente en The Conversation.
Artemis Spyrou, profesor asociado de astrofísica nuclear, Universidad Estatal de Michigan
Wolfgang Mittig, profesor de física, Michigan State University
