Reaccions nuclears en cadena

Publicat el 25 abril 2007 per omalaled
Ja us vaig explicar com l'Otto Frish i la Lise Meitner van descobrir la fissió nuclear. Aquest descobriment va ser sorprenent ja no pel fenomen en sí, sinó per l'energia que s'alliberava. Si poguéssim fer que després d'una fissió s'induís una altra, és a dir, que el detonant d'una fissió sigui el resultat d'una anterior, podríem obtenir una quantitat d'energia brutal. Sobre això us parlaré a la nostra història d'avui.
 

[@more@]

Per començar, hem de puntualitzar alguns detalls. Molts pensen que la bomba atòmica de fissió treu l'energia d'algun fosc lloc, però no és així. La treuen de la força electromagnètica, igual que qualsevol altra bomba convencional. En el fons, una bomba convencional no és res més que un mecanisme químic que aconsegueix que les forces de repulsió entre les molècules augmentin molt. Per saber quant valen aquestes forces hem de recordar la Llei de Coulomb:

Llei de Coulomb

D'aquesta fórmula es desprèn que les forces alliberades seran més fortes com més càrrega hi sigui i com més petita sigui la distància a la qual estan separades les partícules que interaccionen (o més gran el numerador o més petit el denominador). Aquestes partícules, en una reacció química, són els electrons de les últimes capes dels àtoms i, en aquests casos, sempre parlem d'una càrrega a dalt o a baix. D'altra banda, les distàncies són de l'ordre de la mida de l'àtom.

En una fissió nuclear passa el mateix, encara que variant els números. Vegem, diem que existeix una fissió nuclear quan un nucli es trenca en dos o més trossos. Per definició, aquests trossos o bé seran nous nuclis o bé neutrons lliures (un protó seria un nucli d'hidrogen). Deixem altres possibles detalls a part.

El procés de fissió d'un nucli de U-235 es detallen en la següent imatge:

Gràfic de la fissió
Com podeu veure, surt un àtom de bari-142, un de kriptó-91, 3 neutrons i una energia de 210 MeV que es desprèn en forma de radiació. I fixeu-vos: el nucli de bari té càrrega 56 i el de kriptó 36. Recordeu que en una reacció química, la força electromagnètica depenia de les càrregues al numerador, on multiplicàvem 1 per 2 o 1 per 1 o similars: ara ho estem fent amb 56 per 36. La força ha crescut en tres ordres de magnitud: s'ha multiplicat per 1000. Però no només això. Aquests trossos han sortit del trencament del nucli i aquest últim és 100.000 vegades més petit que l'àtom en si, i les distàncies que separen aquests trossos són, per tant, 100.000 vegades més petites que les habituals en una reacció química. A més, en elevar al quadrat la distància, en proporció a l'anterior, la força és encara molt més gran. Fent uns números aproximats, l'energia resultant d'una fissió nuclear augmenta en uns 10 milions de vegades l'energia d'una reacció química habitual. Però no ho oblideu, el principi és el mateix: la llei de Coulomb.

Si només es trenqués un nucli, tindríem un bonic succés sense més interès que el teòric. Ara bé, els neutrons lents són capaços d'induir fisions als nuclis d'urani i ja haureu observat que en aquest procés s'alliberen neutrons que són capaços d'induir a altres nuclis a fisionarse que al seu torn alliberaran més neutrons i més calor, i aquests neutrons indueixen a altres nuclis … Tenim una reacció nuclear en cadena.

 

Tot això que us acabo d'explicar li va va venir al cap al Leo Szilard mentre estava parat en un semàfor en vermell abans de travessar un carrer a Londres. En Rutherford li havia dit que seria impossible aprofitar l'energia del nucli i que no volia parlar d'això. D'altra banda, en Szilard ja coneixia el procés de fissió i va pensar que els neutrons no ionitzaven l'aire com les partícules alfa i podien continuar fins a xocar amb un altre nucli d'urani. Ell mateix va quedar perplex. Si un nucli d'aquests emetia dos neutrons, per exemple, i podien ser absorbits per altres nuclis, fisionarían nuclis d'urani en una progressió geomètrica: 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256, 512, 1024 … Això anunciava la possibilitat d'obtenir energia nuclear a nivell industrial i la fabricació de bombes atòmiques. Va ser el primer a qui se li va acudir aquesta idea.

Un altre factor determinant és la taxa de creixement. Prenguem un exemple proper: les poblacions humanes. Imaginem que cada família estigués formada per pare i mare i que tinguessin dos fills; que els fills tinguessin dos fills més, etc. Al cap d'unes quantes generacions, el nombre persones romandrà estable.

Però qué passa si cada família té tres fills i tots ells arriben a la maduresa per poder tornar a tenir tres fills més?. La població augmentarà al llarg de les generacions. Si pujem el nombre de fills, per exemple, que cada família tingués 4 o 8 fills, el creixement no seria suau, sinó que augmentaria la població de manera "explosiva".

Amb la fissió nuclear succeeix el mateix. Un nucli d'urani, per a fisionar-se, consumeix un neutró i ara necessitem que, com mitjana, dels resultats d'aquesta fissió surti un neutró nou. Si no es dóna aquesta circumstància, adéu a la nostra reacció en cadena. Tant a França com als EUA es va veure que dels resultats d'una fissió el nombre de neutrons generat era de l'ordre de 2 o 3. El problema era que la mortalitat d'aquests neutrons era molt elevada, és a dir, no eren absorbits per un altre nucli. Es buscava aconseguir que sobrevisqués, com a mínim, un dels neutrons per induir una altra fissió.

Ja us vaig explicar que els neutrons lents eren els que realment induïen les fisiones nuclears i els que sortien de l'urani eren ràpids. S'havia de buscar un moderador: alguna cosa que els parés. L'Enrico Fermi havia descobert que l'aigua era un bon moderador, però els seus nuclis d'hidrogen podien capturar els neutrons produint aigua pesada o deuteri (hidrògens amb un protó i un neutró). Ja veiem que l'urani combinat amb aigua com moderador no és prou bo.

Si en comptes d'aigua normal tinguéssim directament deuteri fet abans de posar-lo en contacte amb l'urani tenim un moderador excel·lent. Al seu moment, es van construir reactors que utilitzaven deuteri. I noteu si va ser important tot aquest assumpte de la moderació de neutrons que els aliats estaven molt preocupats. Sabien que Noruega tenia la planta de Vemork de producció d'aigua pesada a Rjukan, Telemark, propietat de Norsk Hydro ASA i també sabien que estava en poder dels alemanys. Van fer una missió per destruir-la, detalls de la qual, s'expliquen al llibre E=mc2 del David Bodanis.

En Fermi, per moderar els neutrons, va utilitzar grafit. Després de Pearl Harbour aquests treballs es van fer amb la màxima urgència. Sota la seva direcció es van obtenir tones de grafit extraordinàriament pur i gairebé un any després, el 2 de desembre de 1942, sota les grades d'un estadi de Chicago, a una pista d'esquaix, es va aconseguir la primera reacció nuclear en cadena de la història feta per l'home.

Les primeres piles de producció de material les va construir l'empresa Du Pont a la qual Fermi va assessorar en el seu disseny. Per raons de seguretat se li coneixia amb el sobrenom de Mr. Farmer i se li va assignar un guardaespatlles per a la seva protecció. I de què parlava en Fermi amb el seu guardaespatlles a les llargues estones de passeig que li servien per desconnectar de tot? Doncs és clar, no? De física. Un dia va arribar a dir que el meu guardaespatlles sap tant de física que d'aquí a poc necessitarà també ell un guardaespatlles.

He dit que va ser la primera reacció nuclear en cadena feta per l'home, però no va ser la primera de la qual tinguem constància a la història del nostre planeta. La Natura es va avançar al Fermi uns 2.000 milions d'anys. Però deixarem aquesta aventura i les seves conseqüències per a una altra història.

 
Fonts:

Quant a omalaled

Me llamo Fernando y soy un apasionado de la ciencia y admirador de los científicos y ténicos de todas las épocas. Espero disfrutéis sabiendo un poquito más de ellos.
Aquesta entrada ha esta publicada en Sense categoria. Afegeix a les adreces d'interès l'enllaç permanent.