En el reino subatómico gobernado por las reglas de la mecánica cuántica, un proceso llamado fisión proporciona la fuente fundamental de energía tanto para las bombas atómicas como para los reactores nucleares. Lo que separa estos dos resultados enormemente diferentes, uno violento, el otro controlado, es el concepto de masa, una línea divisoria imaginaria que determina si una reacción nuclear es lenta y prolongada o rápida y efímero.
Fisión atómica
Los átomos de elementos inestables como el uranio y el plutonio se dividen en pares de elementos más ligeros cuando sufren desintegración radiactiva, un proceso llamado fisión. Por ejemplo, el uranio-235 puede dividirse en criptón-89 y bario-144, una fisión que también emite dos neutrones sobrantes. Los elementos más ligeros también pueden ser inestables, continuando como una cadena de desintegración radiactiva que puede incluir una docena o más de elementos y tardar millones de años en completarse.
Reacciones en cadena y azar
Un núcleo de uranio se divide en dos elementos más ligeros cuando absorbe un neutrón perdido; el neutrón desestabiliza el núcleo, haciéndolo más probable que sufra una fisión. Debido a que una fisión produce neutrones libres, pueden golpear átomos vecinos, provocando que también se dividan, creando una reacción en cadena de eventos de fisión. Como las reacciones nucleares son de naturaleza mecánica cuántica, se rigen por las probabilidades y el azar. Cuando es menos probable que ocurran reacciones en cadena, se extinguen, ya que cada vez menos neutrones desencadenan fisiones sucesivas. Cuando las circunstancias favorecen las reacciones en cadena, las fisiones continúan de manera constante. Y cuando las fisiones son muy probables, las reacciones en cadena se aceleran, dividiendo un número cada vez mayor de átomos y liberando su energía.
Masa critica
La probabilidad de fisiones y reacciones en cadena depende en parte de la masa del material radiactivo involucrado. En un punto llamado masa crítica, las reacciones en cadena son en gran medida autosuficientes, pero no aumentan. Cada elemento radiactivo tiene una masa crítica específica para una esfera de la sustancia; por ejemplo, la masa crítica de uranio-235 es de 56 kg, mientras que solo se requieren 11 kg de plutonio-239. Los científicos que mantienen arsenales de materiales radiactivos los almacenan de tal manera que estas cantidades nunca ocurren en la misma vecindad general; de lo contrario, pueden producir ráfagas violentas de radiación letal.
Masa subcrítica y supercrítica
Para una forma esférica de sustancia radiactiva, aumentar la masa aumenta el número de neutrones emitidos en un momento dado y la probabilidad de que las fisiones provoquen reacciones en cadena. Cantidades más pequeñas que una masa crítica de un elemento radiactivo tienen reacciones en cadena, pero es más probable que se extingan que que continúen. Más allá de la masa crítica, la tasa de fisiones aumenta, lo que conduce a una situación peligrosa y fuera de control. Las plantas de energía nuclear utilizan cantidades subcríticas de elementos radiactivos, suficientes para producir cantidades generosas de energía pero que, por razones de seguridad, nunca pueden conducir a una explosión nuclear. Las bombas atómicas, por el contrario, utilizan una cantidad de materiales mucho más cercana a una masa crítica. Una bomba atómica permanece subcrítica hasta que se activa con una ráfaga de neutrones y se aprieta con una ráfaga de explosivos convencionales. Los explosivos hacen que el material se vuelva momentáneamente supercrítico; las reacciones en cadena se salen de control en unas pocas millonésimas de segundo, liberando la energía equivalente a decenas de miles de toneladas de TNT.