Influence of the Exit Channel in $^{235}$U(n,f) and $^{239}$Pu(n,f) Reactions in Time-Dependent Density Functional Theory

La Gran División Atómica: Una historia de estiramiento, ruptura y separación

Imagine el corazón de un átomo, el núcleo, no como una canica estática, sino como una gota de líquido temblorosa y superdensa. Dentro de este universo diminuto, los protones y neutrones danzan en una multitud caótica pero organizada. A veces, esta multitud se emociona demasiado —tal vez porque un neutrón errante choca con ella— y el núcleo comienza a estirarse. Se elonga, como un trozo de caramelo siendo estirado por dos niños hambrientos. Finalmente, se vuelve tan delgado en el medio que se rompe, dividiéndose en dos piezas más pequeñas y voladoras llamadas fragmentos de fisión. Este proceso, conocido como fisión nuclear, es el motor detrás tanto de las estrellas que iluminan nuestro cielo nocturno como de las centrales eléctricas que mantienen en funcionamiento nuestras ciudades.

Pero aquí está la parte complicada: aunque sabemos que el núcleo se divide, no comprendemos completamente la coreografía exacta del chasquido. Ocurre en un parpadeo, más rápido de lo que podemos observar con una cámara, y conlleva la mecánica cuántica, que es el extraño libro de reglas que siguen las partículas diminutas. Los científicos saben desde hace tiempo que cuando un átomo pesado como el Uranio o el Plutonio se divide, generalmente no se rompe justo por la mitad en dos partes iguales. En su lugar, prefiere dividirse de forma desigual, como una galleta que se rompe en un trozo grande y una migaja pequeña. Sin embargo, la pregunta sigue en el aire: ¿el modo en que el núcleo comienza a estirarse antes de romperse cambia la forma en que las piezas salen disparadas? ¿Llevan diferentes formas iniciales a diferentes tipos de explosiones? Comprender esto es crucial porque nos ayuda a predecir cuánta energía se libera y qué tan calientes se vuelven los fragmentos resultantes, lo cual es vital para todo, desde diseñar reactores más seguros hasta comprender los elementos creados en el universo.

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La División de Cambio de Forma: Lo que este estudio encontró

En este estudio, un equipo de investigadores utilizó una poderosa simulación informática llamada "Teoría de la Funcional de la Densidad Dependiente del Tiempo" (piense en ello como un videojuego de física superpreciso) para observar cómo se dividen los núcleos de Uranio-235 y Plutonio-239. No solo observaron un tipo de división; probaron tres "posiciones iniciales" diferentes para el núcleo, definidas por qué tan desigual o "deformada octupolarmente" estaba justo antes de la ruptura. Examinaron la división "asimétrica" habitual (el trozo grande y la migaja pequeña), una división "casi simétrica" (mitades casi iguales) y una división "altamente asimétrica" (un trozo enorme y una migaja diminuta).

Los investigadores descubrieron que la forma inicial del núcleo actúa como un mapa del destino, guiando la división hacia tres caminos muy diferentes con personalidades únicas.

El Estiramiento de Cuello Largo (Fisión Casi Simétrica)
Cuando el núcleo comenzó con una forma casi equilibrada (casi simétrica), se comportó como un trozo de caramelo muy obstinado. En lugar de romperse rápidamente, se estiró en un cuello notablemente largo y delgado. Debido a que este cuello era tan largo, las dos piezas ya estaban bastante alejadas —aproximadamente 23.07 fm (femtómetros) para el Uranio— cuando finalmente se rompieron.

• El Resultado: Como estaban tan alejadas al romperse, la repulsión eléctrica entre ellas era más débil. Esto significó que las dos piezas salieron disparadas con menos velocidad, lo que resultó en una "Energía Cinética Total" (TKE) mucho menor, de unos 144.70 MeV, en comparación con la división habitual.
• El Calor: Dado que la energía tiene que ir a alguna parte, esa velocidad "faltante" se convirtió en calor. El fragmento pesado absorbió la mayor parte de este calor extra, volviéndose muy excitado y maleable, desarrollando una gran "deformación cuadrupolar" (se volvió muy parecido a un huevo). El estudio sugiere que a medida que los neutrones golpean el núcleo con más energía, estas divisiones de cuello largo podrían ocurrir con más frecuencia, lo que podría explicar por qué la velocidad promedio de los fragmentos de fisión disminuye a medida que el reactor se calienta.

El Corto y Rápido (Fisión Asimétrica)
La división "estándar", donde el núcleo comienza con una forma moderadamente desigual, fue la más común. Aquí, el cuello era más corto y las piezas estaban más cerca, alrededor de 20.09 fm, cuando se rompieron.

• El Resultado: Estar más cerca significaba un empuje eléctrico más fuerte, por lo que los fragmentos salieron disparados más rápido, con una TKE de aproximadamente 168.02 MeV.
• El Calor: Estos fragmentos eran más fríos y menos deformados que sus primos casi simétricos.

Los Comodines (Fisión Altamente Asimétrica)
Las divisiones más extremas, donde el núcleo era muy desigual desde el principio, fueron las más caóticas. Algunas formaron cuellos largos, otras cuellos cortos.

• El Resultado: Estas divisiones generalmente tuvieron la TKE más baja (alredos de 137.49 MeV) porque también tendían a romperse a distancias mayores.
• El Calor: Curiosamente, la distribución del calor se invirtió. En estos casos, el fragmento ligero (la migaja pequeña) recibió la mayor parte del calor y la excitación extra, en lugar del pesado.

El Chasquido y la Pulverización
El estudio también analizó el momento exacto en que el cuello se rompió. Encontraron que para las divisiones de cuello largo y casi simétricas, el cuello no desaparecía instantáneamente; tardaba más en decaer, y la "ruptura" ocurría en dos etapas. Esta ruptura más lenta y compleja cambió la forma en que se pulverizaban los neutrones (partículas diminutas).

• El Patrón de Pulverización: En una división normal, los neutrones se pulverizan en todas las direcciones. Pero en la división casi simétrica, debido a que el cuello era tan largo y ancho, una enorme nube de neutrones salió disparada lateralmente (perpendicular a la división), en lugar de hacia adelante o hacia atrás. Es como la diferencia entre un petardo que explota (pulverizando en todas direcciones) y un globo de agua que estalla (pulverizando principalmente hacia los lados).

Lo que el Estudio Descarta
Los investigadores encontraron explícicamente que la idea de una ruptura de cuello "aleatoria" es probablemente incorrecta. En algunas teorías antiguas, se pensaba que el cuello podía romperse en cualquier punto de su longitud por azar. Sin embargo, sus simulaciones mostraron que el punto de ruptura está determinado por la forma del núcleo mucho antes, en el inicio (en el "punto de silla exterior"). El sistema recuerda su forma inicial durante toda la división. El cuello no deambula; se rompe exactamente donde la deformación inicial dictó que lo haría.

¿Qué tan seguros están?
Es importante notar que estos hallazgos provienen de simulaciones informáticas, no de un experimento físico donde se capturó la división en un laboratorio. Los autores confían en las tendencias que ven —como los cuellos largos que conducen a una menor energía y la forma específica en que se pulverizan los neutrones— pero reconocen que sus modelos actuales podrían subestimar ligeramente la velocidad de los fragmentos en comparación con experimentos del mundo real. Sugieren que, si bien los números exactos pueden necesitar ajustes a medida que los modelos mejoren, la historia de cómo la forma inicial dicta el final es probablemente correcta.

En resumen, este artículo nos dice que la historia de una división nuclear se escribe antes de que se toque la primera nota. La forma inicial del núcleo decide si será un estallido rápido y energético o un estiramiento lento, caliente y de pulverización lateral, y el universo recuerda esa forma hasta el mismísimo final.