Historias de la Ciencia

Ya os expliqué cómo Otto Frish y Lise Meitner descubrieron la fisión nuclear. Dicho descubrimiento fue sorprendente ya no sólo por el fenómeno en sí, sino por la energía que se liberaba en ese proceso. Si pudiéramos hacer que después de una fisión se indujese otra, o sea, que el detonante de una fisión sea el resultado de otra anterior, podríamos obtener ingentes cantidades de energía. Sobre ello os hablaré en nuestra historia de hoy.
 
Para empezar, hemos de puntualizar algunos detalles. Muchos piensan que la bomba atómica de fisión saca la energía de algún oscuro lugar, pero no es así. La sacan de la fuerza electromagnética, igual que cualquier otra bomba convencional. En el fondo, una bomba convencional no es más que un mecanismo químico que logra que las fuerzas de repulsión entre las moléculas aumenten mucho. Para saber cuánto valen esas fuerzas hemos de recordar la Ley de Coulomb:

De esta fórmula se desprende que las fuerzas liberadas serán más fuertes cuanta más carga haya y cuanto menor sea la distancia a la que están las partículas que interaccionan (o más grande el numerador o más pequeño el denominador). Esas partículas, en una reacción química, son los electrones de las últimas capas de los átomos y, en estos casos, siempre hablamos de una carga arriba o abajo. Por otro lado, las distancias son del orden de la medida del átomo.

En una fisión nuclear ocurre lo mismo, aunque variando los números. Veamos, decimos que existe una fisión nuclear cuando un núcleo se rompe en dos o más pedazos. Por definición, esos pedazos o bien serán nuevos núcleos o bien neutrones libres (un protón sería un núcleo de hidrógeno). Dejemos otros detalles posibles aparte.

El proceso de fisión de un núcleo de U-235 se detalla en la siguiente imagen:

Como podéis observar, se obtiene un átomo de bario-142, uno de kriptón-91, 3 neutrones y una energía de 210 MeV que se desprende en forma de radiación. Y fijaos: el núcleo de bario tiene carga 56 y el de kriptón 36. Recordad que en una reacción química, la fuerza electromagnética dependía de las cargas en el numerador, donde multiplicábamos 1 por 2 o 1 por 1 o similares: ahora lo estamos haciendo con 56 por 36. La fuerza ha crecido en tres órdenes de magnitud: se ha multiplicado por 1000. Pero no sólo eso. Esos pedazos han salido de la rotura del núcleo y este último es 100.000 veces más pequeño que el átomo en sí, y las distancias que separan esos pedazos son, por tanto, 100.000 veces menores que las habituales en una reacción química. Además, al elevar al cuadrado la distancia, en proporción a la anterior, la fuerza es todavía mucho mayor. Haciendo unos pocos números aproximados, la energía resultante de una fisión nuclear aumenta en unos 10 millones de veces la energía de una reacción química habitual. Pero no lo olvidéis, el principio es el mismo: la ley de Coulomb.

Si sólo se rompiera un núcleo, tendríamos un bonito suceso sin mayor interés que el teórico. Ahora bien, los neutrones lentos son capaces de inducir fisiones en los núcleos de uranio y ya habréis observado que cuando se produce ese fenómeno, se liberan neutrones que son capaces de inducir a otros núcleos a fisionarse que a su vez liberarán más neutrones y más calor, y esos neutrones inducen a otros núcleos … Tenemos una reacción nuclear en cadena.

Todo esto que os acabo de explicar se le ocurrió a Leo Szilard mientras estaba parado en un semáforo en rojo antes de cruzar en una calle de Londres. Rutherford le había dicho que sería imposible aprovechar la energía del núcleo y que no quería hablar de ello. Por otro lado, Szilard ya conocía el proceso de fisión. Pensó que los neutrones no ionizaban el aire como las partículas alfa y lo único que tenían que hacer era continuar hasta chocar con otro núcleo de uranio. Él mismo quedó perplejo. Si un núcleo de esos emitía dos neutrones, por ejemplo, y podían ser absorbidos por otros núcleos, fisionarían núcleos de uranio en una progresión geométrica: 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256, 512, 1024 … Esto anunciaba la posibilidad de obtener energía nuclear a nivel industrial y la fabricación de bombas atómicas. Fue el primero a quien se le ocurrió esa idea.

Otro factor determinante es la tasa de crecimiento. Tomemos un ejemplo cercano: las poblaciones humanas. Imaginemos que cada familia estuviera formada por padre y madre y que tuvieran dos hijos; que los hijos, a su vez, tuvieran dos hijos más, etc. Al cabo de unas cuantas generaciones, el número de individuos permanecerá estable.

Pero qué pasa si, por término medio, cada familia tiene tres hijos y todos ellos llegan a la madurez para poder volver a tener tres hijos más. Sucede que la población aumentará a lo largo de las generaciones. Si aumentamos el número de hijos, por ejemplo, que cada familia tuviera 4 u 8 hijos, el crecimiento no sería suave, sino que aumentaría la población de forma “explosiva”.

Con la fisión nuclear sucede lo mismo. Un núcleo de uranio, para fisionarse, consume un neutrón y ahora necesitamos que, como media, de los resultados de esa fisión salga un neutrón nuevo. Si no se da esa circunstancia, adiós a nuestra reacción en cadena. Tanto en Francia como en EEUU se vio que de los resultados de una fisión el número de neutrones generado era del orden de 2 o 3. El problema era que la mortalidad de esos neutrones era muy elevada, o sea, no eran absorbidos por otro núcleo. Se buscaba lograr que sobreviviera, como mínimo, uno de los neutrones para inducir otra fisión.

Ya os expliqué que los neutrones lentos eran los que realmente inducían las fisiones nucleares y los que salían del uranio eran rápidos. Se tenía que buscar un moderador: algo que los frenara. Enrico Fermi había descubierto que el agua era un buen moderador, pero sus núcleos de hidrógeno podían capturar los neutrones produciendo agua pesada o deuterio (hidrógenos con un protón y un neutrón). Ya vemos que el uranio combinado con agua como moderador no es suficientemente bueno.

Si en vez de agua normal se tuviera directamente deuterio hecho antes de ponerlo en contacto con el uranio tenemos un moderador excelente. En su momento, se construyeron reactores que utilizaban deuterio. Y notad si fue importante todo este asunto de la moderación de neutrones que los aliados estaban muy preocupados. Sabían que Noruega tenía la planta de Vemork de producción de agua pesada en Rjukan, Telemark, propiedad de Norsk Hydro ASA y también sabían que estaba en poder de los alemanes. Hicieron una misión para destruirla cuyos los detalles de esta misión se explican en el libro E=mc2 de David Bodanis. Fermi, sin embargo, para moderar los neutrones, utilizó grafito. Después de Pearl Harbour estos trabajos se hicieron con la máxima urgencia. Bajo su dirección se obtuvieron toneladas de grafito extraordinariamente puro y casi un año después, el 2 de diciembre de 1942, bajo las gradas de un estadio de Chicago, en una cancha de squash, se consiguió la primera reacción nuclear en cadena de la historia hecha por el hombre.

Las primeras pilas de producción de material las construyó la empresa Du Pont a la que Fermi asesoró en su diseño. Por razones de seguridad se le conocía con el apodo de Mr. Farmer y se le asignó un guardaespaldas para su protección. ¿Y de qué iba a hablar Fermi con su guardaespaldas durante los largos ratos de paseo que le servían para desconectar de todo? Pues está claro, ¿no? De física. Un día llegó a decir que mi guardaespaldas sabe tanto de física que dentro de poco va a necesitar también él un guardaespaldas.

He dicho que fue la primera reacción nuclear en cadena hecha por el hombre, pero no fue la primera de la que tengamos constancia en la historia de nuestro planeta. La Naturaleza se adelantó a Fermi unos 2.000 millones de años. Pero dejaremos esa aventura y sus consecuencias para otra historia.

Fuentes:
“E=mc2“, David Bodanis
“The making of the atomic bomb” Richard Rhodes
http://www.alpoma.net/tecob/?p=342
http://inquietudes.wordpress.com/2007/02/04/fermi-y-el-primer-reactor-nuclear/
http://www.exordio.com/1939-1945/militaris/armamento/bombasAtomicas.html http://www.portalplanetasedna.com.ar/energia_nuclear.htm
http://es.encarta.msn.com/encyclopedia_761558960/Energ%C3%ADa_nuclear.html
http://es.wikipedia.org/wiki/Fisi%C3%B3n_nuclear
http://www.avizora.com/publicaciones/guerras/textos/0026_que_es_bomba_nuclear%20.htm