Durante las vacaciones de Navidad de 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 que se sabía en ese momento sobre los densos núcleos de los átomos, sus núcleos.
Meitner y Frisch fueron capaces de 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 grandes 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 de energía atómica.
La publicación de estos hallazgos a la comunidad académica inmediatamente inspiró a muchos científicos nucleares a investigar más a fondo el proceso de fisión nuclear. El físico Leo Szilard hizo una importante comprensión: 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 ir en cascada en un proceso de «cadena» autosostenido.
Así comenzó la búsqueda para probar experimentalmente que una reacción en cadena nuclear era posible, y hace 75 años, investigadores de la Universidad de Chicago tuvieron éxito, abriendo la puerta a lo que se convertiría en la era nuclear.
Aprovechar la fisión
Como parte 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 sostenida, cada fisión debe inducir una fisión adicional. Un poco más, y habría una explosión. Menos y la reacción se apagaría.
En estudios anteriores, Fermi había descubierto que los núcleos de uranio absorberían neutrones más fácilmente si los neutrones se movían relativamente lentamente. Pero los neutrones emitidos por la fisión del uranio son rápidos. Para el experimento de Chicago, los físicos usaron grafito para ralentizar los neutrones emitidos, a través de múltiples procesos de dispersión. La idea era aumentar las posibilidades de que los neutrones fueran absorbidos por otro núcleo de uranio.
Para asegurarse de que pudieran controlar de forma segura la reacción en cadena, el equipo armó lo que llamaron «barras de control».»Eran simplemente láminas del elemento cadmio, un excelente absorbente de neutrones. Los físicos intercalaron barras de control a través de la pila de uranio-grafito. En cada paso del proceso, Fermi calculó la emisión de neutrones esperada y retiró lentamente una barra de control para confirmar sus expectativas. Como mecanismo de seguridad, las barras de control de cadmio se podían insertar rápidamente si algo empezaba a salir mal, para apagar la reacción en cadena.
Llamaron a esta instalación de 20x6x25 pies Pila de Chicago Número Uno, 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 iniciar el proceso de reacción en cadena una vez que los físicos ensamblaron el CP-1. El primer neutrón induciría la fisión en un núcleo de uranio, emitiendo un conjunto de neutrones nuevos. Estos neutrones secundarios chocan con núcleos de carbono en el grafito y se ralentizan. Luego se toparían con otros núcleos de uranio e inducirían una segunda ronda de reacciones de fisión, emitirían 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.
Controlar la reacción en cadena fue extremadamente importante: Si el equilibrio entre neutrones producidos y absorbidos no era exactamente correcto, entonces las reacciones en cadena no procederían 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 nuclear en cadena, 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 retardados» para controlar la reacción en cadena.
Si no se tuvieran en cuenta, estos neutrones adicionales inducirían más reacciones de fisión de las previstas. Como resultado, la reacción en cadena nuclear en su experimento de Chicago podría haberse salido de control, con resultados potencialmente devastadores. Lo que es más importante, sin embargo, este retraso de tiempo entre la fisión y la liberación de más neutrones permite que los seres humanos tengan tiempo para reaccionar y hacer ajustes, controlando el poder de la reacción en cadena para que no proceda demasiado rápido.
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 producen energía en todo el mundo hoy en día. En la actualidad, 30 países incluyen reactores nucleares en su cartera de energía. Dentro de estos países, la energía nuclear aporta en promedio el 24 por ciento de su energía eléctrica total, llegando 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.
Las preguntas restantes de los físicos
La búsqueda para entender la emisión retardada de neutrones y la fisión nuclear continúa en los laboratorios modernos de física nuclear. La carrera actual 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 conocen bien. Los modelos teóricos de última generación intentan explicar las propiedades de fisión observadas, como cuánta energía se libera, el número de neutrones emitidos y las masas de los fragmentos de fisión.
La emisión retardada de neutrones ocurre solo para núcleos que no ocurren 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 retardada 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 instalaciones poderosas 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 comprensión mucho mejor de la fisión nuclear, lo que puede ayudar a mejorar el rendimiento y la seguridad de los reactores nucleares.
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 las propiedades de fisión y emisión retardada de neutrones de núcleos exóticos. La fisión rompe los elementos más pesados y los reemplaza por otros más ligeros (fragmentos de fisión), cambiando por completo la composición de elementos de una estrella. La emisión retardada de neutrones agrega más neutrones al entorno estelar, que luego pueden inducir nuevas reacciones nucleares. Por ejemplo, las propiedades nucleares desempeñaron un papel vital en el evento de fusión de neutrones y estrellas que fue descubierto recientemente por observatorios electromagnéticos y de ondas gravitacionales 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 aún queda mucho por 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 La Conversación.
Artemis Spyrou, Profesora Asociada de Astrofísica Nuclear, Universidad Estatal de Michigan
Wolfgang Mittig, Profesor de Física, Universidad Estatal de Michigan