Fisión nuclear

Física nuclear
Núcleo Nucleones pag norte Materia nuclear Fuerza nuclear Estructura nuclear Reacción nuclear
Modelos del núcleo Gota de liquido Modelo de capa nuclear Modelo de bosón interactuante Desde el principio
Clasificación de los nucleidos Isótopos – iguales a Z Isóbaras – iguales A Isótonos – igual a N Isodiáferas – iguales N  −  Z Isómeros : son iguales a todos los anteriores. Núcleos espejo  – Z ↔ N Estable Magia Par/impar Halo Borromeo
Estabilidad nuclear Energía de unión relación p–n Línea de goteo Isla de estabilidad Valle de estabilidad Nuclido estable
Desintegración radiactiva Alfa α Beta β 2β 0v β + Captura K/L Isómero Gamma gamma Conversión interna Fisión espontánea Desintegración del racimo Emisión de neutrones Emisión de protones Energía de desintegración Cadena de desintegración Producto de descomposición Nuclido radiogénico
Fisión nuclear Espontáneo Productos ruptura de pareja Fotofisión
Captura de procesos electrón 2× neutrón s a protón pag rp
Procesos de alta energía Espalación por rayo cósmico Fotodesintegración
Nucleosíntesis y astrofísica nuclear Fusión nuclear Procesos: Estelar Gran Explosión Supernova Nuclidos: Primordial Cosmogénico Artificial
Física nuclear de alta energía Plasma de quarks y gluones RHC Gran Colisionador de Alta Capacidad
Científicos Álvarez Becquerel Bethe A. Bohr N. Bohr Chadwick Cockcroft Irlanda Curie Padre Curie Pi. Curie Sklodowska-Curie Davison Fermi Hahn Jensen Lorenzo Mayer Meitner Olifante Oppenheimer Proca Purcell Rabí Rutherford Sólido Strassman Świątecki Szilárd Escrutador Thomson Walton Wigner
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La fisión nuclear es una reacción en la que el núcleo de un átomo se divide en dos o más núcleos más pequeños. El proceso de fisión a menudo produce fotones gamma y libera una gran cantidad de energía , incluso para los estándares energéticos de la desintegración radiactiva .

La fisión nuclear fue descubierta por los químicos Otto Hahn y Fritz Strassmann y los físicos Lise Meitner y Otto Robert Frisch . Hahn y Strassmann demostraron que el 19 de diciembre de 1938 se había producido una reacción de fisión, y Meitner y su sobrino Frisch la explicaron teóricamente en enero de 1939. Frisch denominó el proceso «fisión» por analogía con la fisión biológica de las células vivas. En su segunda publicación sobre la fisión nuclear en febrero de 1939, Hahn y Strassmann predijeron la existencia y liberación de neutrones adicionales durante el proceso de fisión, abriendo la posibilidad de una reacción nuclear en cadena .

En el caso de los nucleidos pesados , se trata de una reacción exotérmica que puede liberar grandes cantidades de energía, tanto en forma de radiación electromagnética como de energía cinética de los fragmentos ( calentando el material en masa donde se produce la fisión). Al igual que la fusión nuclear , para que la fisión produzca energía, la energía de enlace total de los elementos resultantes debe ser mayor que la del elemento inicial.

La fisión es una forma de transmutación nuclear porque los fragmentos resultantes (o átomos hijos) no son del mismo elemento que el átomo padre original. Los dos (o más) núcleos producidos suelen ser de tamaños comparables pero ligeramente diferentes, típicamente con una relación de masa de productos de aproximadamente 3 a 2, para isótopos fisionables comunes . ^{[1] [2]} La mayoría de las fisiones son fisiones binarias (que producen dos fragmentos cargados), pero ocasionalmente (de 2 a 4 veces por cada 1000 eventos), se producen tres fragmentos cargados positivamente, en una fisión ternaria . El más pequeño de estos fragmentos en los procesos ternarios varía en tamaño desde un protón hasta un núcleo de argón .

Además de la fisión inducida por un neutrón, aprovechada y explotada por los humanos, también se denomina fisión a una forma natural de desintegración radiactiva espontánea (que no requiere un neutrón), y que se produce especialmente en isótopos de número másico muy elevado. La fisión espontánea fue descubierta en 1940 por Flyorov , Petrzhak y Kurchatov ^[3] en Moscú, en un experimento destinado a confirmar que, sin bombardeo de neutrones, la tasa de fisión del uranio era insignificante, como predijo Niels Bohr ; no era insignificante. ^[3]

La composición impredecible de los productos (que varían de una manera probabilística amplia y algo caótica) distingue la fisión de los procesos de efecto túnel puramente cuántico , como la emisión de protones , la desintegración alfa y la desintegración en cúmulos , que dan los mismos productos cada vez. La fisión nuclear produce energía para la energía nuclear e impulsa la explosión de armas nucleares . Ambos usos son posibles porque ciertas sustancias llamadas combustibles nucleares experimentan fisión cuando son golpeadas por neutrones de fisión y, a su vez, emiten neutrones cuando se desintegran. Esto hace posible una reacción nuclear en cadena autosostenida , que libera energía a un ritmo controlado en un reactor nuclear o a un ritmo muy rápido y descontrolado en un arma nuclear.

La cantidad de energía libre liberada en la fisión de una cantidad equivalente de²³⁵
Es un millón de veces más U que el que se libera en la combustión de metano o de las pilas de combustible de hidrógeno . ^[4]

Sin embargo, los productos de la fisión nuclear son, en promedio, mucho más radiactivos que los elementos pesados ​​que normalmente se fisionan como combustible, y permanecen así durante períodos de tiempo significativos, lo que da lugar a un problema de desechos nucleares . Sin embargo, los siete productos de fisión de larga duración constituyen solo una pequeña fracción de los productos de fisión. La absorción de neutrones que no conduce a la fisión produce plutonio (de²³⁸
U ) y actínidos menores (de ambos²³⁵
U y²³⁸
U ) cuya radiotoxicidad es mucho mayor que la de los productos de fisión de larga duración. Las preocupaciones por la acumulación de desechos nucleares y el potencial destructivo de las armas nucleares son un contrapeso al deseo pacífico de utilizar la fisión como fuente de energía . El ciclo del combustible de torio prácticamente no produce plutonio y mucho menos actínidos menores, pero²³²
El U (o más bien sus productos de desintegración) es un importante emisor de rayos gamma. Todos los actínidos son fértiles o fisionables y los reactores reproductores rápidos pueden fisionarlos todos, aunque sólo en determinadas configuraciones. El reprocesamiento nuclear tiene como objetivo recuperar material utilizable del combustible nuclear gastado para permitir que los suministros de uranio (y torio) duren más y reducir la cantidad de "residuos". El término industrial para un proceso que fisiona todos o casi todos los actínidos es " ciclo cerrado del combustible ".

Younes y Loveland definen la fisión como "... un movimiento colectivo de los protones y neutrones que forman el núcleo, y como tal se distingue de otros fenómenos que rompen el núcleo. La fisión nuclear es un ejemplo extremo de movimiento colectivo de gran amplitud que resulta en la división de un núcleo padre en dos o más núcleos fragmentados. El proceso de fisión puede ocurrir espontáneamente o puede ser inducido por una partícula incidente". La energía de una reacción de fisión es producida por sus productos de fisión , aunque una gran mayoría de ella, alrededor del 85 por ciento, se encuentra en la energía cinética del fragmento , mientras que aproximadamente el 6 por ciento proviene de neutrones y rayos gamma iniciales y de los emitidos después de la desintegración beta , más aproximadamente el 3 por ciento de los neutrinos como producto de dicha desintegración. ^{[4] : 21–22, 30}

La fisión nuclear puede ocurrir sin bombardeo de neutrones como un tipo de desintegración radiactiva. Este tipo de fisión se denomina fisión espontánea y se observó por primera vez en 1940. ^{[4] : 22}

Durante la fisión inducida, se forma un sistema compuesto después de que una partícula incidente se fusiona con un objetivo. La energía de excitación resultante puede ser suficiente para emitir neutrones, o rayos gamma, y ​​producir una escisión nuclear. La fisión en dos fragmentos se denomina fisión binaria y es la reacción nuclear más común . La que ocurre con menos frecuencia es la fisión ternaria , en la que se emite una tercera partícula. Esta tercera partícula es comúnmente una partícula α . ^{[4] : 21–24} Dado que en la fisión nuclear, el núcleo emite más neutrones de los que absorbe, es posible una reacción en cadena . ^{[5] : 291, 296}

La fisión binaria puede producir cualquiera de los productos de fisión, a 95 ± 15 y 135 ± 15 daltons . Sin embargo, el proceso binario ocurre simplemente porque es el más probable. En cualquier lugar de dos a cuatro fisiones por 1000 en un reactor nuclear, la fisión ternaria puede producir tres fragmentos cargados positivamente (más neutrones) y el más pequeño de estos puede variar desde una carga y masa tan pequeñas como un protón ( Z  = 1), a un fragmento tan grande como el argón ( Z  = 18). Los fragmentos pequeños más comunes, sin embargo, están compuestos de 90% de núcleos de helio-4 con más energía que las partículas alfa de la desintegración alfa (los llamados "alfas de largo alcance" a ~16 megaelectronvoltios (MeV)), más núcleos de helio-6 y tritones (los núcleos de tritio ). Aunque es menos común que la fisión binaria, todavía produce una importante acumulación de gas helio-4 y tritio en las barras de combustible de los reactores nucleares modernos. ^[6]

Bohr y Wheeler utilizaron su modelo de gota líquida , la curva de fracción de empaquetamiento de Arthur Jeffrey Dempster y las estimaciones de Eugene Feenberg del radio del núcleo y la tensión superficial, para estimar las diferencias de masa de padre e hijas en la fisión. Luego equipararon esta diferencia de masa a la energía utilizando la fórmula de equivalencia masa-energía de Einstein . La estimulación del núcleo después del bombardeo de neutrones fue análoga a las vibraciones de una gota de líquido, con la tensión superficial y la fuerza de Coulomb en oposición. Al representar gráficamente la suma de estas dos energías como una función de la forma alargada, determinaron que la superficie de energía resultante tenía forma de silla de montar. La silla de montar proporcionó una barrera de energía llamada barrera de energía crítica. Se necesitó una energía de aproximadamente 6 MeV proporcionada por el neutrón incidente para superar esta barrera y provocar la fisión del núcleo. ^{[4] : 10–11  [7] [8]} Según John Lilley, "La energía necesaria para superar la barrera de la fisión se denomina energía de activación o barrera de fisión y es de unos 6 MeV para A  ≈ 240. Se ha descubierto que la energía de activación disminuye a medida que A aumenta. Finalmente, se llega a un punto en el que la energía de activación desaparece por completo... sufriría una fisión espontánea muy rápida". ^[9]

Maria Goeppert Mayer propuso más tarde el modelo de capas nucleares para el núcleo. Los nucleidos que pueden sostener una reacción en cadena de fisión son adecuados para su uso como combustibles nucleares . Los combustibles nucleares más comunes son ²³⁵ U (el isótopo del uranio con número de masa 235 y de uso en reactores nucleares) y ²³⁹ Pu (el isótopo del plutonio con número de masa 239). Estos combustibles se descomponen en un rango bimodal de elementos químicos con masas atómicas centradas cerca de 95 y 135 daltons ( productos de fisión ). La mayoría de los combustibles nucleares experimentan fisión espontánea solo muy lentamente, decayendo en cambio principalmente a través de una cadena de desintegración alfa - beta durante períodos de milenios a eones . En un reactor nuclear o arma nuclear, la abrumadora mayoría de los eventos de fisión son inducidos por bombardeo con otra partícula, un neutrón, que a su vez es producido por eventos de fisión anteriores.

Los isótopos fisionables como el uranio-238 requieren energía adicional proporcionada por neutrones rápidos (como los producidos por la fusión nuclear en las armas termonucleares ). Si bien algunos de los neutrones liberados de la fisión de²³⁸
Eres lo suficientemente rápido como para inducir otra fisión en²³⁸
U , la mayoría no lo son, lo que significa que nunca puede alcanzar la criticidad. Si bien existe una probabilidad muy pequeña (aunque no nula) de que un neutrón térmico induzca la fisión en²³⁸
U , la absorción de neutrones es órdenes de magnitud más probable.

Las secciones transversales de fisión son una propiedad medible relacionada con la probabilidad de que ocurra fisión en una reacción nuclear. Las secciones transversales son una función de la energía del neutrón incidente y las de²³⁵
U y²³⁹
Los Pu son un millón de veces más altos que²³⁸
U en niveles de energía neutrónica más bajos. La absorción de cualquier neutrón pone a disposición del núcleo una energía de enlace de aproximadamente 5,3 MeV.²³⁸
El U necesita un neutrón rápido para suministrar el MeV adicional necesario para cruzar la barrera de energía crítica para la fisión. En el caso de²³⁵
Sin embargo, esa energía extra se proporciona cuando²³⁵
U se ajusta de una masa impar a una masa par. En palabras de Younes y Lovelace, "...la absorción de neutrones en un²³⁵
El objetivo U forma una²³⁶
Núcleo U con energía de excitación mayor que la energía crítica de fisión, mientras que en el caso de n +²³⁸
U , el resultante²³⁹
"El núcleo U tiene una energía de excitación inferior a la energía crítica de fisión". ^{[4] : 25–28  [5] : 282–287  [10] [11]}

Aproximadamente 6 MeV de la energía de entrada de fisión se suministran mediante la simple unión de un neutrón adicional al núcleo pesado a través de la fuerza fuerte; sin embargo, en muchos isótopos fisionables, esta cantidad de energía no es suficiente para la fisión. El uranio-238, por ejemplo, tiene una sección eficaz de fisión cercana a cero para neutrones de energía inferior a 1 MeV. Si no se suministra energía adicional mediante ningún otro mecanismo, el núcleo no se fisionará, sino que simplemente absorberá el neutrón, como sucede cuando²³⁸
U absorbe neutrones lentos e incluso una fracción de neutrones rápidos, para convertirse en²³⁹
U. La energía restante para iniciar la fisión puede ser suministrada por otros dos mecanismos: uno de ellos es la mayor energía cinética del neutrón entrante, que es cada vez más capaz de fisionar un núcleo pesado fisionable a medida que supera una energía cinética de 1 MeV o más (los llamados neutrones rápidos). Estos neutrones de alta energía son capaces de fisionar²³⁸
U directamente (véase arma termonuclear para su aplicación, donde los neutrones rápidos son suministrados por fusión nuclear). Sin embargo, este proceso no puede ocurrir en gran medida en un reactor nuclear, ya que una fracción demasiado pequeña de los neutrones de fisión producidos por cualquier tipo de fisión tienen suficiente energía para fisionar de manera eficiente.²³⁸
U (los neutrones de fisión tienen una energía modal de 2 MeV, pero una mediana de sólo 0,75 MeV, lo que significa que la mitad de ellos tienen menos que esta energía insuficiente). ^[12]

Sin embargo, entre los elementos actínidos pesados , aquellos isótopos que tienen un número impar de neutrones (como ^{el 235} U con 143 neutrones) unen un neutrón adicional con 1 a 2 MeV adicionales de energía sobre un isótopo del mismo elemento con un número par de neutrones (como ^{el 238} U con 146 neutrones). Esta energía de enlace adicional se obtiene como resultado del mecanismo de efectos de apareamiento de neutrones , que a su vez es causado por el principio de exclusión de Pauli , que permite que un neutrón adicional ocupe el mismo orbital nuclear que el último neutrón en el núcleo. En tales isótopos, por lo tanto, no se necesita energía cinética de neutrones, ya que toda la energía necesaria se suministra por absorción de cualquier neutrón, ya sea de la variedad lenta o rápida (los primeros se utilizan en reactores nucleares moderados, y los segundos se utilizan en reactores de neutrones rápidos y en armas).

Según Younes y Loveland, "los actínidos como²³⁵
Los que se fisionan fácilmente tras la absorción de un neutrón térmico (0,25 meV) se denominan fisionables , mientras que aquellos como²³⁸
Los que no se fisionan fácilmente cuando absorben un neutrón térmico se denominan fisionables ". ^{[4] : 25}

Después de que una partícula incidente se ha fusionado con un núcleo padre, si la energía de excitación es suficiente, el núcleo se rompe en fragmentos. Esto se llama escisión y ocurre aproximadamente a los 10 ⁻²⁰ segundos. Los fragmentos pueden emitir neutrones instantáneos entre 10 ⁻¹⁸ y 10 ⁻¹⁵ segundos. Aproximadamente a los 10 ⁻¹¹ segundos, los fragmentos pueden emitir rayos gamma. A los 10 ^{−3 segundos, los} productos de la desintegración emiten desintegración β, neutrones β-retardados y rayos gamma . ^{[4] : 23–24}

Los eventos típicos de fisión liberan alrededor de doscientos millones de eV (200 MeV) de energía, el equivalente a aproximadamente >2 billones de kelvin, por cada evento de fisión. El isótopo exacto que se fisiona, y si es fisionable o fisible, tiene solo un pequeño impacto en la cantidad de energía liberada. Esto se puede ver fácilmente examinando la curva de energía de enlace (imagen siguiente), y notando que la energía de enlace promedio de los nucleidos actínidos comenzando con el uranio es de alrededor de 7,6 MeV por nucleón. Mirando más a la izquierda en la curva de energía de enlace, donde se agrupan los productos de fisión, se observa fácilmente que la energía de enlace de los productos de fisión tiende a centrarse alrededor de 8,5 MeV por nucleón. Por lo tanto, en cualquier evento de fisión de un isótopo en el rango de masas de los actínidos, se liberan aproximadamente 0,9 MeV por nucleón del elemento inicial. La fisión de ²³⁵ U por un neutrón lento produce una energía casi idéntica a la fisión de ²³⁸ U por un neutrón rápido. Este perfil de liberación de energía se aplica también al torio y a los diversos actínidos menores. ^[13]

Cuando un núcleo de uranio se fisiona en dos fragmentos de núcleos hijos, aproximadamente el 0,1 por ciento de la masa del núcleo de uranio ^[14] aparece como la energía de fisión de ~200 MeV. Para el uranio-235 (energía de fisión media total de 202,79 MeV ^[15] ), normalmente aparecen ~169 MeV como la energía cinética de los núcleos hijos, que se separan a aproximadamente el 3% de la velocidad de la luz, debido a la repulsión de Coulomb . Además, se emiten un promedio de 2,5 neutrones, con una energía cinética media por neutrón de ~2 MeV (un total de 4,8 MeV). ^{[16] La reacción de fisión también libera ~7 MeV en} fotones de rayos gamma inmediatos . La última cifra significa que una explosión de fisión nuclear o un accidente de criticidad emite alrededor del 3,5% de su energía como rayos gamma, menos del 2,5% de su energía como neutrones rápidos (total de ambos tipos de radiación ~6%), y el resto como energía cinética de fragmentos de fisión (esto aparece casi inmediatamente cuando los fragmentos impactan la materia circundante, como calor simple). ^{[17] [18]}

Algunos procesos que involucran neutrones se caracterizan por absorber o finalmente producir energía; por ejemplo, la energía cinética del neutrón no produce calor inmediatamente si el neutrón es capturado por un átomo de uranio-238 para generar plutonio-239, pero esta energía se emite si el plutonio-239 se fisiona posteriormente. Por otro lado, los llamados neutrones retardados emitidos como productos de desintegración radiactiva con vidas medias de hasta varios minutos, a partir de las hijas de la fisión, son muy importantes para el control del reactor , porque dan un tiempo de "reacción" característico para que la reacción nuclear total duplique su tamaño, si la reacción se lleva a cabo en una zona " crítica retardada " que depende deliberadamente de estos neutrones para una reacción en cadena supercrítica (una en la que cada ciclo de fisión produce más neutrones de los que absorbe). Sin su existencia, la reacción en cadena nuclear sería crítica inmediata y aumentaría de tamaño más rápido de lo que podría controlarse mediante la intervención humana. En este caso, los primeros reactores atómicos experimentales se habrían disparado hacia una peligrosa y caótica "reacción crítica inmediata" antes de que sus operadores pudieran apagarlos manualmente (por esta razón, el diseñador Enrico Fermi incluyó barras de control activadas por contadores de radiación, suspendidas por electroimanes, que podrían caer automáticamente en el centro de Chicago Pile-1 ). Si estos neutrones retardados son capturados sin producir fisiones, también producen calor. ^[19]

La energía de enlace del núcleo es la diferencia entre la energía de masa en reposo del núcleo y la energía de masa en reposo de los nucleones de neutrón y protón. La fórmula de la energía de enlace incluye términos de volumen, superficie y energía de Coulomb que incluyen coeficientes derivados empíricamente para los tres, además de relaciones de energía de un núcleo deformado en relación con una forma esférica para los términos de superficie y de Coulomb. Se pueden incluir términos adicionales como simetría, apareamiento, el rango finito de la fuerza nuclear y distribución de carga dentro de los núcleos para mejorar la estimación. ^{[4] : 46–50} Normalmente, la energía de enlace se denomina y se grafica como energía de enlace promedio por nucleón. ^[9]

Según Lilley, "la energía de enlace de un núcleo B es la energía necesaria para separarlo en sus neutrones y protones constituyentes". ^[9] donde A es el número másico , Z es el número atómico , m _H es la masa atómica de un átomo de hidrógeno, m _n es la masa de un neutrón y c es la velocidad de la luz . Por lo tanto, la masa de un átomo es menor que la masa de sus protones y neutrones constituyentes, suponiendo que la energía de enlace promedio de sus electrones es insignificante. La energía de enlace B se expresa en unidades de energía, utilizando la relación de equivalencia masa-energía de Einstein . La energía de enlace también proporciona una estimación de la energía total liberada por la fisión. ^[9]$${\displaystyle m(\mathbf {A} ,\mathbf {Z} )=\mathbf {Z} m_{H}+\mathbf {N} m_{n}-\mathbf {B} /c^{2}}$$

La curva de energía de enlace se caracteriza por un máximo amplio cerca del número másico 60 a 8,6 MeV, que luego disminuye gradualmente hasta 7,6 MeV en los números másicos más altos. Los números másicos superiores a 238 son raros. En el extremo más ligero de la escala, se observan picos para el helio-4 y los múltiplos como el berilio-8, el carbono-12, el oxígeno-16, el neón-20 y el magnesio-24. La energía de enlace debida a la fuerza nuclear se acerca a un valor constante para A grande , mientras que la de Coulomb actúa sobre una distancia mayor, de modo que la energía potencial eléctrica por protón crece a medida que Z aumenta. La energía de fisión se libera cuando un A es mayor que 120 fragmentos de núcleo. La energía de fusión se libera cuando se combinan núcleos más ligeros. ^[9]

La fórmula de masa semiempírica de Carl Friedrich von Weizsäcker se puede utilizar para expresar la energía de enlace como la suma de cinco términos, que son la energía de volumen, una corrección de superficie, la energía de Coulomb, un término de simetría y un término de emparejamiento: ^[9]

$${\displaystyle B=a_{v}\mathbf {A} -a_{s}\mathbf {A} ^{2/3}-a_{c}{\frac {\mathbf {Z} ^{2}}{\mathbf {A} ^{1/3}}}-a_{a}{\frac {(\mathbf {N} -\mathbf {Z} )^{2}}{\mathbf {A} }}\pm \Delta }$$ donde la energía de enlace nuclear es proporcional al volumen nuclear, mientras que los nucleones cerca de la superficie interactúan con menos nucleones, reduciendo el efecto del término de volumen. Según Lilley, "Para todos los núcleos naturales, el término de energía de superficie domina y el núcleo existe en un estado de equilibrio". La contribución negativa de la energía de Coulomb surge de la fuerza eléctrica repulsiva de los protones. El término de simetría surge del hecho de que las fuerzas efectivas en el núcleo son más fuertes para pares neutrón-protón diferentes, en lugar de pares neutrón-neutrón o protón-protón iguales. El término de emparejamiento surge del hecho de que los nucleones iguales forman pares de espín cero en el mismo estado espacial. El emparejamiento es positivo si N y Z son pares, lo que aumenta la energía de enlace. ^[9]

En la fisión existe una preferencia por los fragmentos de fisión con Z par , lo que se denomina efecto impar-par en la distribución de carga de los fragmentos. Esto se puede ver en los datos empíricos de rendimiento de fragmentos para cada producto de fisión, ya que los productos con Z par tienen valores de rendimiento más altos. Sin embargo, no se observa ningún efecto impar-par en la distribución de fragmentos en función de su A . Este resultado se atribuye a la ruptura de pares de nucleones .

En los eventos de fisión nuclear, los núcleos pueden romperse en cualquier combinación de núcleos más ligeros, pero el evento más común no es la fisión de núcleos de igual masa de aproximadamente 120; el evento más común (dependiendo del isótopo y el proceso) es una fisión ligeramente desigual en la que un núcleo hijo tiene una masa de aproximadamente 90 a 100 daltons y el otro los 130 a 140 daltons restantes. ^[20]

Los núcleos estables y los núcleos inestables con vidas medias muy largas siguen una tendencia de estabilidad evidente cuando se representa gráficamente Z frente a N. Para los núcleos más ligeros menores de N = 20, la línea tiene la pendiente N = Z , mientras que los núcleos más pesados ​​requieren neutrones adicionales para permanecer estables. Los núcleos ricos en neutrones o protones tienen una energía de enlace excesiva para la estabilidad, y el exceso de energía puede convertir un neutrón en un protón o un protón en un neutrón a través de la fuerza nuclear débil, un proceso conocido como desintegración beta . ^[9]

La fisión de U-235 inducida por neutrones emite una energía total de 207 MeV, de los cuales unos 200 MeV son recuperables. Los fragmentos de fisión inmediata suman 168 MeV, que se detienen fácilmente con una fracción de milímetro. Los neutrones inmediatos suman 5 MeV, y esta energía se recupera en forma de calor mediante dispersión en el reactor. Sin embargo, muchos fragmentos de fisión son ricos en neutrones y se desintegran mediante emisiones β ^. Según Lilley, "la energía de desintegración radiactiva de las cadenas de fisión es la segunda liberación de energía debido a la fisión. Es mucho menor que la energía inmediata, pero es una cantidad significativa y es la razón por la que los reactores deben seguir enfriándose después de que se han apagado y por la que los productos de desecho deben manipularse con gran cuidado y almacenarse de forma segura". ^[9]

John Lilley afirma que "... la fisión inducida por neutrones genera neutrones adicionales que pueden inducir más fisiones en la siguiente generación y así sucesivamente en una reacción en cadena. La reacción en cadena se caracteriza por el factor de multiplicación de neutrones k , que se define como la relación entre el número de neutrones en una generación y el número en la generación anterior. Si, en un reactor, k es menor que la unidad, el reactor es subcrítico, el número de neutrones disminuye y la reacción en cadena se extingue. Si k > 1, el reactor es supercrítico y la reacción en cadena diverge. Esta es la situación en una bomba de fisión donde el crecimiento es a un ritmo explosivo. Si k es exactamente la unidad, las reacciones se producen a un ritmo constante y se dice que el reactor es crítico. Es posible lograr la criticidad en un reactor que utiliza uranio natural como combustible, siempre que los neutrones se hayan moderado de manera eficiente a energías térmicas". Los moderadores incluyen agua ligera, agua pesada y grafito . ^{[9] : 269, 274}

Según John C. Lee, "en todos los reactores nucleares en funcionamiento y en desarrollo, el ciclo del combustible nuclear se basa en uno de los tres materiales fisionables , ^235U , ^233U y ^239Pu , y las cadenas isotópicas asociadas. En la generación actual de reactores de agua dulce , el U enriquecido contiene entre un 2,5 y un 4,5 % en peso de ^235U , que se transforma en barras de combustible de _UO2 y se carga en conjuntos de combustible". ^[21]

Lee afirma: "Una comparación importante para los tres principales nucleidos fisionables, ²³⁵ U, ²³³ U y ²³⁹ Pu, es su potencial de reproducción. Un reactor reproductor es, por definición, un reactor que produce más material fisionable del que consume y necesita un mínimo de dos neutrones producidos por cada neutrón absorbido en un núcleo fisionable. Por lo tanto, en general, la tasa de conversión (CR) se define como la relación entre el material fisionable producido y el destruido ... cuando la CR es mayor que 1,0, se denomina tasa de reproducción (BR)... ^{El 233} U ofrece un potencial de reproducción superior tanto para los reactores térmicos como para los rápidos, mientras que ^{el 239} Pu ofrece un potencial de reproducción superior para los reactores rápidos". ^[21]

Los reactores de fisión crítica son el tipo más común de reactor nuclear. En un reactor de fisión crítica, los neutrones producidos por la fisión de átomos de combustible se utilizan para inducir aún más fisiones, a fin de mantener una cantidad controlable de liberación de energía. Los dispositivos que producen reacciones de fisión diseñadas pero no autosostenibles son reactores de fisión subcríticos . Dichos dispositivos utilizan desintegración radiactiva o aceleradores de partículas para desencadenar fisiones.

Los reactores de fisión críticos se construyen con tres propósitos principales, que normalmente implican diferentes compensaciones de ingeniería para aprovechar el calor o los neutrones producidos por la reacción en cadena de fisión:

• Los reactores de potencia están destinados a producir calor para la energía nuclear, ya sea como parte de una central generadora o de un sistema de energía local como un submarino nuclear .
• Los reactores de investigación están destinados a producir neutrones y/o activar fuentes radiactivas para fines científicos, médicos, de ingeniería u otros fines de investigación.
• Los reactores reproductores tienen como finalidad producir combustibles nucleares en masa a partir de isótopos más abundantes . El reactor reproductor rápido, más conocido, produce ²³⁹ Pu (un combustible nuclear) a partir del ²³⁸ U (que no es un combustible nuclear), que es naturalmente muy abundante. Los reactores reproductores térmicos que se probaron anteriormente utilizando ²³² Th para producir el isótopo fisionable ²³³ U ( ciclo del combustible de torio ) continúan siendo estudiados y desarrollados.

Si bien, en principio, todos los reactores de fisión pueden actuar en las tres capacidades, en la práctica las tareas conducen a objetivos de ingeniería conflictivos y la mayoría de los reactores se han construido teniendo en mente sólo una de las tareas anteriores (hay varios contraejemplos tempranos, como el reactor Hanford N , actualmente fuera de servicio).

En 2019, las 448 centrales nucleares de todo el mundo proporcionaban una capacidad de 398 GWE , de las cuales aproximadamente el 85 % eran reactores refrigerados por agua ligera, como reactores de agua a presión o reactores de agua en ebullición . La energía de la fisión se transmite por conducción o convección al refrigerante del reactor nuclear , luego a un intercambiador de calor , y el vapor generado resultante se utiliza para impulsar una turbina o un generador. ^{[21] : 1–4}

El objetivo de una bomba atómica es producir un dispositivo, según Serber, "...en el que se libere energía mediante una reacción rápida en cadena de neutrones en uno o más de los materiales que se sabe que muestran fisión nuclear". Según Rhodes, "sin manipular, un núcleo de bomba incluso tan grande como el doble de la masa crítica fisionaría por completo menos del 1 por ciento de su material nuclear antes de expandirse lo suficiente como para detener la reacción en cadena. La manipulación siempre aumentaba la eficiencia: reflejaba neutrones de vuelta al núcleo y su inercia... ralentizaba la expansión del núcleo y ayudaba a evitar que la superficie del núcleo volara". La reorganización de los componentes subcríticos del material del núcleo tendría que realizarse lo más rápido posible para asegurar una detonación efectiva. Además, era necesario un tercer componente básico, "... un iniciador, una fuente de Ra + Be o, mejor, una fuente de Po + Be, con el radio o el polonio unidos quizás a una pieza del núcleo y el berilio a la otra, para que se estrellaran y rociaran neutrones cuando las partes se acoplaran para iniciar la reacción en cadena". Sin embargo, cualquier bomba "requeriría localizar, extraer y procesar cientos de toneladas de mineral de uranio...", mientras que la separación de U-235 o la producción de Pu-239 requerirían capacidad industrial adicional. ^{[5] : 460–463}

El descubrimiento de la fisión nuclear se produjo en 1938 en los edificios de la Sociedad Kaiser Wilhelm de Química, hoy parte de la Universidad Libre de Berlín , tras más de cuatro décadas de trabajo sobre la ciencia de la radiactividad y la elaboración de una nueva física nuclear que describía los componentes de los átomos. En 1911, Ernest Rutherford propuso un modelo del átomo en el que un núcleo de protones muy pequeño, denso y con carga positiva estaba rodeado de electrones en órbita con carga negativa (el modelo de Rutherford ). ^[26] Niels Bohr mejoró esto en 1913 al conciliar el comportamiento cuántico de los electrones (el modelo de Bohr ). En 1928, George Gamow propuso el modelo de la gota líquida , que se volvió esencial para comprender la física de la fisión. ^{[5] : 49–51, 70–77, 228  [4] : 6–7}

En 1896, Henri Becquerel había descubierto la radiactividad , a la que Marie Curie había dado nombre. En 1900, Rutherford y Frederick Soddy , al investigar el gas radiactivo que emanaba del torio , «llegaron a la tremenda e inevitable conclusión de que el elemento torio se estaba transmutando lenta y espontáneamente en gas argón». ^{[5] : 41–43}

En 1919, siguiendo una anomalía anterior que Ernest Marsden notó en 1915, Rutherford intentó "romper el átomo". Rutherford fue capaz de lograr la primera transmutación artificial de nitrógeno en oxígeno, utilizando partículas alfa dirigidas al nitrógeno ¹⁴ N + α → ¹⁷ O + p. Rutherford afirmó: "...debemos concluir que el átomo de nitrógeno está desintegrado", mientras que los periódicos afirmaron que había dividido el átomo . Esta fue la primera observación de una reacción nuclear, es decir, una reacción en la que las partículas de una desintegración se utilizan para transformar otro núcleo atómico. También ofreció una nueva forma de estudiar el núcleo. Rutherford y James Chadwick luego utilizaron partículas alfa para "desintegrar" boro, flúor, sodio, aluminio y fósforo antes de alcanzar una limitación asociada con la energía de su fuente de partículas alfa. ^{[5] Finalmente, en 1932, los colegas de Rutherford,} Ernest Walton y John Cockcroft , lograron una reacción nuclear y una transmutación nuclear totalmente artificiales , utilizando protones acelerados artificialmente contra litio-7, para dividir este núcleo en dos partículas alfa. La hazaña se conoció popularmente como "división del átomo", y les valió el Premio Nobel de Física de 1951 por "Transmutación de núcleos atómicos mediante partículas atómicas aceleradas artificialmente" , aunque no fue la reacción de fisión nuclear descubierta posteriormente en elementos pesados. ^[27]

El físico inglés James Chadwick descubrió el neutrón en 1932. ^[28] Chadwick utilizó una cámara de ionización para observar los protones que la radiación de berilio expulsaba de varios elementos, siguiendo las observaciones anteriores realizadas por Joliot-Curie . En palabras de Chadwick, "... Para explicar el gran poder de penetración de la radiación debemos suponer además que la partícula no tiene carga neta..." La existencia del neutrón fue postulada por primera vez por Rutherford en 1920, y en palabras de Chadwick, "... ¿cómo demonios ibas a construir un gran núcleo con una gran carga positiva? Y la respuesta era una partícula neutra". ^{[5] : 153–165} Posteriormente, comunicó sus hallazgos con más detalle. ^[29]

En palabras de Richard Rhodes , refiriéndose al neutrón, "serviría por tanto como una nueva sonda nuclear de un poder de penetración superior". Philip Morrison afirmó: "Un haz de neutrones térmicos que se mueve a la velocidad del sonido... produce reacciones nucleares en muchos materiales mucho más fácilmente que un haz de protones... que viaja miles de veces más rápido". Según Rhodes, "Ralentizar un neutrón le daba más tiempo en las proximidades del núcleo, y eso le daba más tiempo para ser capturado". El equipo de Fermi, que estudiaba la captura radiativa, que es la emisión de radiación gamma después de que el núcleo captura un neutrón, estudió sesenta elementos, induciendo radiactividad en cuarenta. En el proceso, descubrieron la capacidad del hidrógeno para ralentizar los neutrones. ^{[5] : 165, 216–220}

Enrico Fermi y sus colegas en Roma estudiaron los resultados del bombardeo de uranio con neutrones en 1934. ^[30] Fermi concluyó que sus experimentos habían creado nuevos elementos con 93 y 94 protones, que el grupo denominó ausenio y hesperio . Sin embargo, no todos se convencieron con el análisis de Fermi de sus resultados, aunque ganaría el Premio Nobel de Física en 1938 por sus "demostraciones de la existencia de nuevos elementos radiactivos producidos por la irradiación de neutrones, y por su descubrimiento relacionado de las reacciones nucleares provocadas por neutrones lentos". La química alemana Ida Noddack sugirió notablemente en 1934 que en lugar de crear un nuevo elemento más pesado, el 93, "es concebible que el núcleo se rompa en varios fragmentos grandes". ^[31] Sin embargo, la objeción citada viene bastante más lejos, y fue solo una de las varias lagunas que notó en la afirmación de Fermi. Aunque Noddack era una reconocida química analítica, carecía de los conocimientos de física necesarios para apreciar la enormidad de lo que proponía. ^[32]

Después de la publicación de Fermi, Otto Hahn , Lise Meitner y Fritz Strassmann comenzaron a realizar experimentos similares en Berlín . Meitner, una judía austríaca, perdió su ciudadanía austriaca con el Anschluss , la unión de Austria con Alemania en marzo de 1938, pero huyó en julio de 1938 a Suecia y comenzó una correspondencia por correo con Hahn en Berlín. Por coincidencia, su sobrino Otto Robert Frisch , también refugiado, también estaba en Suecia cuando Meitner recibió una carta de Hahn fechada el 19 de diciembre describiendo su prueba química de que parte del producto del bombardeo de uranio con neutrones era bario . Hahn sugirió una explosión del núcleo, pero no estaba seguro de cuál era la base física de los resultados. El bario tenía una masa atómica 40% menor que el uranio, y ningún método conocido previamente de desintegración radiactiva podía explicar una diferencia tan grande en la masa del núcleo. Frisch se mostró escéptico, pero Meitner confiaba en la capacidad de Hahn como químico. Marie Curie llevaba muchos años separando el bario del radio y las técnicas eran bien conocidas. Meitner y Frisch interpretaron entonces correctamente los resultados de Hahn, que significaban que el núcleo del uranio se había dividido aproximadamente por la mitad. Frisch sugirió que el proceso se denominara «fisión nuclear», por analogía con el proceso de división de una célula viva en dos células, que entonces se denominaba fisión binaria . Así como el término «reacción en cadena» nuclear se tomaría prestado más tarde de la química, el término «fisión» se tomó prestado de la biología. ^[35]

La noticia del nuevo descubrimiento se difundió rápidamente, y se consideró correctamente que se trataba de un efecto físico completamente nuevo con grandes posibilidades científicas y potencialmente prácticas. La interpretación de Meitner y Frisch del descubrimiento de Hahn y Strassmann cruzó el océano Atlántico con Niels Bohr, que iba a dar una conferencia en la Universidad de Princeton . II Rabi y Willis Lamb , dos físicos de la Universidad de Columbia que trabajaban en Princeton, oyeron la noticia y la llevaron a Columbia. Rabi dijo que se lo contó a Enrico Fermi; Fermi le dio crédito a Lamb. Poco después, Bohr fue de Princeton a Columbia para ver a Fermi. Al no encontrar a Fermi en su oficina, Bohr bajó al área del ciclotrón y encontró a Herbert L. Anderson . Bohr lo agarró por el hombro y le dijo: "Joven, déjame explicarte algo nuevo y emocionante en física". ^[36]

Varios científicos de Columbia tenían claro que debían intentar detectar la energía liberada en la fisión nuclear del uranio a partir del bombardeo de neutrones. El 25 de enero de 1939, un equipo de la Universidad de Columbia llevó a cabo el primer experimento de fisión nuclear en los Estados Unidos, ^[37] que se llevó a cabo en el sótano de Pupin Hall . El experimento consistió en colocar óxido de uranio dentro de una cámara de ionización e irradiarlo con neutrones, y medir la energía así liberada. Los resultados confirmaron que se estaba produciendo la fisión e insinuaron firmemente que era el isótopo uranio 235 en particular el que estaba fisionando. Al día siguiente, comenzó la Quinta Conferencia de Washington sobre Física Teórica en Washington, DC bajo los auspicios conjuntos de la Universidad George Washington y la Institución Carnegie de Washington . Allí, las noticias sobre la fisión nuclear se difundieron aún más, lo que fomentó muchas más demostraciones experimentales. ^[38] El artículo de Hahn y Strassman del 6 de enero de 1939 anunció el descubrimiento de la fisión. En su segunda publicación sobre la fisión nuclear en febrero de 1939, Hahn y Strassmann utilizaron el término Uranspaltung (fisión de uranio) por primera vez y predijeron la existencia y liberación de neutrones adicionales durante el proceso de fisión, abriendo la posibilidad de una reacción nuclear en cadena. ^[39] El artículo del 11 de febrero de 1939 de Meitner y Frisch comparó el proceso con la división de una gota de líquido y estimó la energía liberada en 200 MeV. ^[40] El artículo del 1 de septiembre de 1939 de Bohr y Wheeler utilizó este modelo de gota de líquido para cuantificar los detalles de la fisión, incluida la energía liberada, estimó la sección transversal para la fisión inducida por neutrones y dedujo²³⁵
El U fue el principal contribuyente a esa sección transversal y a la fisión de neutrones lentos. ^{[41] [5] : 262, 311  [4] : 9–13}

Durante este período, el físico húngaro Leó Szilárd se dio cuenta de que la fisión de átomos pesados ​​impulsada por neutrones podría utilizarse para crear una reacción nuclear en cadena. Esta reacción con neutrones fue una idea que formuló por primera vez en 1933, al leer los comentarios despectivos de Rutherford sobre la generación de energía a partir de colisiones de neutrones. Sin embargo, Szilárd no había sido capaz de lograr una reacción en cadena impulsada por neutrones utilizando berilio. Szilard afirmó: "... si pudiéramos encontrar un elemento que se divida por neutrones y que emitiera dos neutrones cuando absorba un neutrón, dicho elemento, si se reúne en una masa suficientemente grande, podría sostener una reacción nuclear en cadena". El 25 de enero de 1939, después de enterarse del descubrimiento de Hahn por Eugene Wigner , Szilard señaló: "... si se emiten suficientes neutrones... entonces debería ser, por supuesto, posible sostener una reacción en cadena. Todas las cosas que HG Wells predijo de repente me parecieron reales". Después de que se publicara el artículo de Hahn-Strassman, Szilard señaló en una carta a Lewis Strauss que durante la fisión del uranio, "la energía liberada en esta nueva reacción debe ser mucho mayor que todos los casos conocidos anteriormente...", lo que podría conducir a "una producción a gran escala de energía y elementos radiactivos, y desafortunadamente también quizás a bombas atómicas". ^{[42] [5] : 26–28, 203–204, 213–214, 223–225, 267–268}

Szilard instó a Fermi (en Nueva York) y a Frédéric Joliot-Curie (en París) a abstenerse de publicar sobre la posibilidad de una reacción en cadena, para que el gobierno nazi no se enterara de las posibilidades en vísperas de lo que más tarde se conocería como la Segunda Guerra Mundial . Con cierta vacilación, Fermi aceptó autocensurarse. Pero Joliot-Curie no lo hizo, y en abril de 1939 su equipo en París, incluidos Hans von Halban y Lew Kowarski , informaron en la revista Nature que el número de neutrones emitidos con la fisión nuclear del uranio se informó entonces en 3,5 por fisión. ^[43] Szilard y Walter Zinn encontraron que "... el número de neutrones emitidos por fisión era de aproximadamente dos". Fermi y Anderson estimaron "un rendimiento de aproximadamente dos neutrones por cada neutrón capturado". ^{[5] : 290–291, 295–296}

Con la noticia de los neutrones de fisión de la fisión de uranio, Szilárd comprendió inmediatamente la posibilidad de una reacción nuclear en cadena utilizando uranio. En verano, Fermi y Szilard propusieron la idea de un reactor nuclear (pila) para mediar en este proceso. La pila utilizaría uranio natural como combustible. Fermi había demostrado mucho antes que los neutrones eran capturados con mucha más eficacia por los átomos si eran de baja energía (los llamados neutrones "lentos" o "térmicos"), porque por razones cuánticas hacían que los átomos parecieran objetivos mucho más grandes para los neutrones. Así pues, para frenar los neutrones secundarios liberados por los núcleos de uranio en fisión, Fermi y Szilard propusieron un "moderador" de grafito, contra el que colisionarían los neutrones secundarios rápidos y de alta energía, ralentizándolos de forma eficaz. Con suficiente uranio y con grafito suficientemente puro, su "pila" podría sostener teóricamente una reacción en cadena de neutrones lentos. Esto daría lugar a la producción de calor, así como a la creación de productos de fisión radiactivos. ^{[5] : 291, 298–302}

En agosto de 1939, Szilard, Teller y Wigner pensaron que los alemanes podrían hacer uso de la reacción en cadena de fisión y se sintieron impulsados ​​a intentar atraer la atención del gobierno de los Estados Unidos hacia el tema. Con este fin, persuadieron a Albert Einstein para que prestara su nombre a una carta dirigida al presidente Franklin Roosevelt . El 11 de octubre, la carta de Einstein a Szilárd fue entregada por Alexander Sachs . Roosevelt comprendió rápidamente las implicaciones y declaró: "Alex, lo que buscas es asegurarte de que los nazis no nos hagan estallar". Roosevelt ordenó la formación del Comité Asesor sobre Uranio . ^{[5] : 303–309, 312–317}

En febrero de 1940, alentado por Fermi y John R. Dunning , Alfred OC Nier logró separar el U-235 y el U-238 del tetracloruro de uranio en un espectrómetro de masas de vidrio . Posteriormente, Dunning, bombardeando la muestra de U-235 con neutrones generados por el ciclotrón de la Universidad de Columbia , confirmó que "el U-235 era responsable de la lenta fisión neutrónica del uranio". ^{[5] : 297–298, 332}

En la Universidad de Birmingham , Frisch se asoció con Peierls , que había estado trabajando en una fórmula de masa crítica. Suponiendo que la separación de isótopos fuera posible, consideraron ^{el 235} U, que tenía una sección transversal aún no determinada, pero que se suponía que era mucho mayor que la del uranio natural. Calcularon que solo una o dos libras en un volumen menor que una pelota de golf darían como resultado una reacción en cadena más rápida que la vaporización, y la explosión resultante generaría una temperatura mayor que la del interior del sol y presiones mayores que las del centro de la Tierra. Además, los costos de la separación de isótopos "serían insignificantes en comparación con el costo de la guerra". En marzo de 1940, alentados por Mark Oliphant , escribieron el memorando Frisch-Peierls en dos partes, "Sobre la construcción de una 'superbomba'; basada en una reacción nuclear en cadena en uranio" y "Memorando sobre las propiedades de una 'superbomba' radiactiva". El 10 de abril de 1940 se celebró la primera reunión del Comité MAUD . ^{[5] : 321–325, 330–331, 340–341}

En diciembre de 1940, Franz Simon escribió en Oxford su "Estimación del tamaño de una planta de separación real". Simon propuso la difusión gaseosa como el mejor método para la separación de isótopos de uranio. ^{[5] : 339, 343}

El 28 de marzo de 1941, Emilio Segré y Glen Seaborg informaron sobre los "fuertes indicios de que ^{el 239} Pu sufre fisión con neutrones lentos". Esto significaba que la separación química era una alternativa a la separación de isótopos de uranio. En cambio, un reactor nuclear alimentado con uranio ordinario podría producir un isótopo de plutonio como sustituto explosivo nuclear del ²³⁵ U. En mayo, demostraron que la sección transversal del plutonio era 1,7 veces la del U235. Cuando se midió que la sección transversal del plutonio para la fisión rápida era diez veces la del U238, el plutonio se convirtió en una opción viable para una bomba. ^{[5] : 346–355, 366–368}

En octubre de 1941, MAUD publicó su informe final al gobierno de los Estados Unidos. El informe decía: "Hemos llegado a la conclusión de que será posible fabricar una bomba de uranio eficaz... El material para la primera bomba podría estar listo a finales de 1943..." ^{[5] : 368–369}

En noviembre de 1941, John Dunning y Eugene T. Booth consiguieron demostrar el enriquecimiento del uranio mediante difusión gaseosa por barrera. El 27 de noviembre, Bush entregó a Roosevelt el tercer informe de la Academia Nacional de Ciencias . El informe, entre otras cosas, exigía el desarrollo paralelo de todos los sistemas de separación de isótopos. El 6 de diciembre, Bush y Conant reorganizaron las tareas del Comité del Uranio, con Harold Urey desarrollando la difusión gaseosa, Lawrence desarrollando la separación electromagnética, Eger V. Murphree desarrollando las centrífugas y Arthur Compton siendo responsable de los estudios teóricos y el diseño. ^{[5] : 381, 387–388}

El 23 de abril de 1942, los científicos del Laboratorio Meteorológico analizaron siete formas posibles de extraer plutonio del uranio irradiado y decidieron investigar las siete. El 17 de junio, el primer lote de nitrato de uranio hexahidratado (UNH) estaba siendo sometido a un bombardeo de neutrones en el ciclotrón de la Universidad de Washington en St. Louis . El 27 de julio, el UNH irradiado estaba listo para el equipo de Glenn T. Seaborg . El 20 de agosto, utilizando técnicas de ultramicroquímica, extrajeron con éxito el plutonio. ^{[5] : 408–415}

En abril de 1939, la creación de una reacción en cadena en uranio natural se convirtió en el objetivo de Fermi y Szilard, en lugar de la separación de isótopos. Sus primeros esfuerzos implicaron quinientos kilos de óxido de uranio de la Eldorado Radium Corporation. Empaquetados en cincuenta y dos latas de dos pulgadas de diámetro y dos pies de largo en un tanque de solución de manganeso, pudieron confirmar que se emitían más neutrones de los que se absorbían. Sin embargo, el hidrógeno dentro del agua absorbía los neutrones lentos necesarios para la fisión. El carbono en forma de grafito, se consideró entonces, debido a su sección transversal de captura más pequeña. En abril de 1940, Fermi pudo confirmar el potencial del carbono para una reacción en cadena de neutrones lentos, después de recibir los ladrillos de grafito de la National Carbon Company en sus Laboratorios Pupin . En agosto y septiembre, el equipo de Columbia amplió las mediciones de la sección transversal haciendo una serie de "pilas" exponenciales. Las primeras pilas consistían en una red de uranio-grafito, formada por 288 latas, cada una de ellas con 27 kg de óxido de uranio, rodeadas de ladrillos de grafito. El objetivo de Fermi era determinar la masa crítica necesaria para mantener la generación de neutrones. Fermi definió el factor de reproducción k para evaluar la reacción en cadena, con un valor de 1,0 que denota una reacción en cadena sostenida. En septiembre de 1941, el equipo de Fermi sólo pudo alcanzar un valor k de 0,87. En abril de 1942, antes de que el proyecto se centralizara en Chicago, habían conseguido 0,918 eliminando la humedad del óxido. En mayo de 1942, Fermi planeó una pila de reacción en cadena a escala real, Chicago Pile-1, después de que una de las pilas exponenciales de Stagg Field alcanzara un valor k de 0,995. Entre el 15 de septiembre y el 15 de noviembre, Herbert L. Anderson y Walter Zinn construyeron dieciséis pilas exponenciales. La adquisición de formas más puras de grafito, sin trazas de boro y con una sección transversal grande, se volvió primordial. También fue importante la adquisición de formas altamente purificadas de óxido de Mallinckrodt Chemical Works. Finalmente, la adquisición de uranio metálico puro del proceso Ames significó la sustitución de las pseudoesferas de óxido por los "huevos" de Frank Spedding . A partir del 16 de noviembre de 1942, Fermi hizo que Anderson y Zinn trabajaran en dos turnos de doce horas, construyendo una pila que finalmente alcanzó las 57 capas el 1 de diciembre. La pila final consistió en 771.000 libras de grafito, 80.590 libras de óxido de uranio y 12.400 libras de uranio metálico, con diez barras de control de cadmio . La intensidad de neutrones se midió con un trifluoruro de boro.contador, con las barras de control retiradas, después del final de cada turno. El 2 de diciembre de 1942, cuando k se acercaba a 1,0, Fermi hizo retirar todas las barras de control menos una, y gradualmente retiró la última. Los clics del contador de neutrones aumentaron, al igual que el registrador de pluma, cuando Fermi anunció "La pila se ha vuelto crítica". Habían alcanzado un k de 1,0006, lo que significaba que la intensidad de los neutrones se duplicaba cada dos minutos, además de generar plutonio. ^{[5] : 298–301, 333–334, 394–397, 400–401, 428–442}

En los Estados Unidos, a finales de 1942 se inició un esfuerzo generalizado para fabricar armas atómicas. Este trabajo fue asumido por el Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los Estados Unidos en 1943, y conocido como el Distrito de Ingenieros de Manhattan. El Proyecto Manhattan , como se lo conocía coloquialmente, era un proyecto de alto secreto dirigido por el general Leslie R. Groves . Entre las docenas de sitios del proyecto se encontraban: Hanford Site en Washington, que tenía los primeros reactores nucleares a escala industrial y producía plutonio ; Oak Ridge, Tennessee , que se ocupaba principalmente del enriquecimiento de uranio ; y Los Álamos , en Nuevo México, que era el centro científico para la investigación sobre el desarrollo y diseño de bombas. Otros sitios, en particular el Laboratorio de Radiación de Berkeley y el Laboratorio Metalúrgico de la Universidad de Chicago, desempeñaron importantes papeles contribuyentes. La dirección científica general del proyecto estuvo a cargo del físico J. Robert Oppenheimer .

En julio de 1945, en el desierto de Nuevo México, durante la prueba Trinity , se detonó el primer artefacto explosivo atómico, bautizado como "The Gadget", alimentado con plutonio creado en Hanford. En agosto de 1945, se utilizaron dos artefactos atómicos más: " Little Boy ", una bomba de uranio-235, y " Fat Man ", una bomba de plutonio, contra las ciudades japonesas de Hiroshima y Nagasaki .

La criticidad en la naturaleza es poco común. En tres depósitos de mineral en Oklo en Gabón , se han descubierto dieciséis sitios (los llamados reactores fósiles de Oklo ) en los que tuvo lugar la fisión nuclear autosostenida hace aproximadamente 2 mil millones de años. El físico francés Francis Perrin descubrió los reactores fósiles de Oklo en 1972, pero fue postulado por Paul Kuroda en 1956. ^[44] Las reacciones en cadena de fisión de uranio natural a gran escala, moderadas por agua normal, habían ocurrido en el pasado lejano y no serían posibles ahora. Este antiguo proceso pudo usar agua normal como moderador solo porque 2 mil millones de años antes del presente, el uranio natural era más rico en el isótopo fisible de vida más corta ²³⁵ U (alrededor del 3 %), que el uranio natural disponible hoy (que es solo 0,7 %, y debe enriquecerse al 3 % para ser utilizable en reactores de agua ligera).

• Fisión fría
• Material fisible
• Reactor de fragmentos de fisión
• Fusión/fisión híbrida
• Fusión nuclear
• Propulsión nuclear
• Fotofisión

• Manual de fundamentos del DOE: Física nuclear y teoría de reactores, volumen 1 (PDF) . Departamento de Energía de los Estados Unidos . Enero de 1993. Archivado desde el original (PDF) el 2014-03-19 . Consultado el 2012-01-03 .
• Manual de fundamentos del DOE: Física nuclear y teoría de reactores, volumen 2 (PDF) . Departamento de Energía de Estados Unidos. Enero de 1993. Archivado desde el original (PDF) el 2013-12-03 . Consultado el 2012-01-03 .
• Bulgac, Aurel; Jin, Shi; Stetcu, Ionel (2020). "Dinámica de la fisión nuclear: pasado, presente, necesidades y futuro". Frontiers in Physics . 8 : 63. arXiv : 1912.00287 . Bibcode :2020FrP.....8...63B. doi : 10.3389/fphy.2020.00063 .

• Los efectos de las armas nucleares
• Bibliografía comentada sobre la fisión nuclear de la Biblioteca Digital Alsos
• El descubrimiento de la fisión nuclear Archivado el 16 de febrero de 2010 en Wayback Machine Relato histórico completo con audio y guías para profesores del Centro de Historia del Instituto Americano de Física
• atomicarchive.com Explicación de la fisión nuclear
• Nuclear Files.org Archivado el 8 de marzo de 2018 en Wayback Machine. ¿Qué es la fisión nuclear?
• Animación de la fisión nuclear