Reacción en cadena controlada. reacción nuclear en cadena

Reacción en cadena es una reacción química autosostenida en la que los productos que aparecen inicialmente toman parte en la formación de nuevos productos. Las reacciones en cadena normalmente se desarrollan a gran velocidad y, a menudo, tienen el carácter de una explosión.

Las reacciones en cadena pasan por tres etapas principales: nucleación (iniciación), desarrollo y terminación de la cadena.

Arroz. 9.13. El perfil de energía de la reacción (un gráfico de la energía potencial frente a la coordenada de reacción) que muestra un mínimo que corresponde a la formación de un intermedio de reacción.

Etapa de iniciación. En esta etapa se produce la formación de intermedios (productos intermedios). Los intermedios pueden ser átomos, iones o moléculas neutras. La iniciación puede llevarse a cabo por luz, radiación nuclear, energía térmica (térmica), aniones o catalizadores.

Etapa de desarrollo. En esta etapa, los intermedios reaccionan con los reactivos de partida para formar nuevos intermedios y productos finales. La etapa de desarrollo en las reacciones en cadena se repite muchas veces, lo que conduce a la formación de una gran cantidad de productos finales e intermedios.

Etapa de rotura de cadena. En esta etapa se produce el consumo final de los productos intermedios o su destrucción. Como resultado, la reacción se detiene. La reacción en cadena puede interrumpirse espontáneamente o bajo la influencia de sustancias especiales: inhibidores.

Las reacciones en cadena juegan un papel importante en muchas ramas de la química, en particular en la fotoquímica, la química de combustión, las reacciones de fisión nuclear y fusión nuclear (ver Capítulo 1), en la química orgánica (ver Capítulo 17-20).

Fotoquímica

Esta sección de química cubre procesos quimicos asociado con el efecto de la luz sobre una sustancia. La fotosíntesis es un ejemplo de procesos fotoquímicos.

Muchas reacciones en cadena son iniciadas por la luz. En este caso, la partícula iniciadora es un fotón, que tiene energía (ver Sección 1.2). Un ejemplo clásico es la reacción entre el hidrógeno y el cloro en presencia de luz.

Esta reacción es explosiva. Incluye las siguientes tres etapas.

Iniciación. En esta etapa se produce un quiebre enlace covalente en la molécula de cloro, resultando en la formación de dos átomos, cada uno con un electrón desapareado:

Este tipo de reacción es la homólisis o división hemolítica (ver Sección 17.3). También es un ejemplo de fotólisis. El término fotólisis significa degradación fotoquímica. Los dos átomos de cloro resultantes son productos intermedios (intermedios). Son radicales. Un radical es un átomo (o grupo de átomos) con al menos un electrón desapareado. Cabe señalar que, aunque el paso de iniciación es el paso más lento de la reacción en cadena, no determina la velocidad de toda la reacción en cadena.

Etapa de desarrollo. En esta etapa, los átomos de cloro reaccionan con las moléculas de hidrógeno para formar producto final- cloruro de hidrógeno, así como radicales de hidrógeno. Los radicales de hidrógeno reaccionan con las moléculas de cloro; como resultado, se forman nuevas porciones del producto y nuevos radicales de cloro:

Estas dos reacciones, que juntas constituyen la etapa de desarrollo, se repiten millones de veces.

Etapa de rotura de cadena. La reacción en cadena finalmente termina como resultado

reacciones tales como

Para absorber la energía que se libera durante estas reacciones de terminación de cadena, es necesario que algún otro tercer cuerpo participe en ellas. Este tercer cuerpo suele ser las paredes del recipiente en el que se lleva a cabo la reacción.

Salida cuántica

La absorción de un fotón de luz por una molécula de cloro en la reacción en cadena descrita anteriormente puede conducir a la formación de millones de moléculas de cloruro de hidrógeno. La relación entre el número de moléculas de producto y el número de cuantos de luz (fotones) que inician la reacción se denomina rendimiento cuántico. Foto de rendimiento cuántico reacciones químicas puede variar de uno a varios millones. Un alto rendimiento cuántico indica una naturaleza en cadena de la reacción que tiene lugar.

Fotólisis de pulso

Este es el nombre de la técnica utilizada para obtener radicales con una concentración lo suficientemente alta como para detectarlos. En la Fig. 9.14 muestra un diagrama simplificado de la configuración utilizada para la fotólisis pulsada. La mezcla de reacción se ve afectada.

Arroz. 9.14. fotólisis pulsada.

un poderoso destello de luz de una fuente pulsada especial. Tal fuente permite crear destellos de luz con energías de hasta 105 J y con una duración del orden de s o menos. Técnicas modernas La fotólisis pulsada utiliza láseres pulsados con una duración de destello del orden de un nanosegundo (10-9 s). La reacción resultante de tal destello de luz puede seguirse registrando una secuencia de espectros de absorción óptica de la mezcla de reacción. El primer destello es seguido por una serie de destellos de una fuente pulsada de baja potencia. Estos estallidos se suceden a intervalos del orden de milisegundos o microsegundos y permiten registrar los espectros de absorción de la mezcla de reacción en tales intervalos de tiempo.

Combustión

La reacción con el oxígeno, que conduce a la liberación de energía térmica y luz, se llama combustión. La combustión generalmente procede como una secuencia compleja de reacciones radicales.

Tomemos como ejemplo la combustión del hidrógeno. Bajo ciertas condiciones, esta reacción procede con una explosión. En la Fig. 9.15 presenta datos experimentales para la reacción de una mezcla estequiométrica de hidrógeno y oxígeno en un reactor Pyrex. La sección sombreada del diagrama corresponde a la región explosiva de esta reacción. Para la reacción de combustión del hidrógeno, esta sección del diagrama tiene la forma de una península explosiva. El área de la explosión está limitada por los límites de la explosión.

Arroz. 9.15. Condiciones para la ocurrencia explosiva de la reacción de combustión del hidrógeno:

Reacción en cadena

Reacción en cadena- una reacción química y nuclear en la que la aparición de una partícula activa (un radical libre o un átomo en una sustancia química, un neutrón en un proceso nuclear) provoca un gran número (cadena) de transformaciones sucesivas de moléculas o núcleos inactivos. Los radicales libres y muchos átomos, a diferencia de las moléculas, tienen valencias libres insaturadas (electrón desapareado), lo que conduce a su interacción con las moléculas originales. Cuando un radical libre (R) choca con una molécula, uno de los enlaces de valencia de ésta se rompe y, así, como resultado de la reacción, se forma un nuevo radical libre que, a su vez, reacciona con otra molécula, una se produce una reacción en cadena.

Las reacciones en cadena en química incluyen oxidación (combustión, explosión), agrietamiento, polimerización y otras que se usan ampliamente en las industrias química y petrolera.

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Vea qué es "Reacción en cadena" en otros diccionarios:

REACCIÓN EN CADENA, un proceso autosostenido de Fisión nuclear, en el que una reacción lleva al comienzo de la segunda, la segunda al tercero, y así sucesivamente. Para iniciar la reacción se requieren condiciones críticas, es decir, la masa de material capaz de escindirse... ... Diccionario enciclopédico científico y técnico.

reacción en cadena- Cualquier proceso biológico (o químico-físico) compuesto por una serie de procesos interrelacionados, donde el producto (o energía) de cada etapa es partícipe de la etapa siguiente, lo que conduce al mantenimiento y (o) aceleración de la cadena. .. ... Guía del traductor técnico

reacción en cadena- 1) Una reacción que provoca un gran número de transformaciones de las moléculas de la sustancia original. 2) Reacción de fisión autosostenida núcleos atómicos elementos pesados bajo la acción de los neutrones. 3) descomposición. Sobre una serie de acciones, estados, etc., en los que uno o uno... ... diccionario de muchas expresiones

Reacción en cadena reacción en cadena. Cualquier proceso biológico (o químico-físico), compuesto por una serie de procesos interrelacionados, donde el producto (o energía) de cada etapa es partícipe de la etapa siguiente, lo que lleva al mantenimiento y (o)….. . Biología molecular y genética. Diccionario.

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Untado. Sobre el proceso continuo e incontrolado de involucrar a s., Qué l. que yo. BMS 1998, 489; BTS, 1462... Un gran diccionario de dichos rusos.

Concepto científico de reacción en cadena. Y también "Chain Reaction" es el título de varios largometrajes: "Chain Reaction", una película de 1962 de la URSS. "Reacción en cadena" es una película de comedia policiaca francesa de 1963. "Cadena ... ... Wikipedia

Chain Reaction (película, 1963) Este término tiene otros significados, véase Chain Reaction (desambiguación). Carambolajes de reacción en cadena ... Wikipedia

Libros

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reacción nuclear en cadena es una reacción de fisión autosostenida de núcleos pesados, en la que los neutrones se reproducen continuamente, dividiendo más y más núcleos.El núcleo de uranio-235 bajo la acción de un neutrón se divide en dos fragmentos radiactivos de masa desigual, dispersándose a altas velocidades en lados diferentes, y dos o tres neutrones. Reacciones en cadena controladas llevado a cabo en reactores nucleares o calderas nucleares. Actualmente reacciones en cadena controladas se llevan a cabo en los isótopos de uranio-235, uranio-233 (obtenido artificialmente a partir de torio-232), plutonio-239 (obtenido artificialmente a partir de la herida-238), así como plutonio-241. Una tarea muy importante es la separación de su isótopo, el uranio-235, del uranio natural. Desde los primeros pasos en el desarrollo de la tecnología atómica, el uso de uranio-235 fue de importancia decisiva, cuya producción en su forma pura fue, sin embargo, técnicamente difícil, porque el uranio-238 y el uranio-235 son químicamente inseparables.

50. Reactores nucleares. Perspectivas para el uso de la energía termonuclear.

Reactor nuclear es un dispositivo en el que se lleva a cabo una reacción nuclear en cadena controlada, acompañada de la liberación de energía. El primer reactor nuclear se construyó y puso en marcha en diciembre de 1942 en los EE. UU. bajo la dirección de E. Fermi. El primer reactor construido fuera de los Estados Unidos fue el ZEEP, lanzado en Canadá el 25 de diciembre de 1946. En Europa, el primer reactor nuclear fue la unidad F-1, que se puso en funcionamiento el 25 de diciembre de 1946 en Moscú bajo la dirección de I. V. Kurchatov. Para 1978, alrededor de un centenar de reactores nucleares ya estaban funcionando en el mundo. diferentes tipos... Las partes constitutivas de cualquier reactor nuclear son: un núcleo con combustible nuclear, generalmente rodeado por un reflector de neutrones, un refrigerante, un sistema de control de reacción en cadena, protección radiológica y un sistema de control remoto. La vasija del reactor está sujeta a desgaste (especialmente por radiación ionizante). La principal característica de un reactor nuclear es su potencia. Una potencia de 1 MW corresponde a una reacción en cadena en la que ocurren 3 × 10 16 eventos de fisión en 1 segundo. La investigación en la física del plasma de alta temperatura se lleva a cabo principalmente en relación con la perspectiva de crear un reactor termonuclear. Los parámetros más cercanos al reactor son las instalaciones tipo tokamak. En 1968, se anunció que se alcanzó la temperatura del plasma de diez millones de grados en la instalación T-3, y es en el desarrollo de esta dirección que se han concentrado los esfuerzos de científicos de muchos países en las últimas décadas. diferentes paises tokamak ITER. El uso a gran escala de los reactores termonucleares en la ingeniería energética se espera para la segunda mitad del siglo 21. Además de los tokamaks, existen otros tipos de trampas magnéticas para confinar plasma a alta temperatura, por ejemplo, las llamadas trampas abiertas. . Debido a una serie de características, pueden contener plasma de alta presión y, por lo tanto, tienen buenas perspectivas como potentes fuentes de neutrones termonucleares y, en el futuro, como reactores termonucleares.

Los éxitos alcanzados en últimos años en el Instituto de Física Nuclear SB RAS en estudios de trampas abiertas axisimétricas modernas indican que este enfoque es prometedor. Estos estudios continúan y, al mismo tiempo, el INP trabaja en un proyecto para una instalación de última generación, donde será posible demostrar parámetros de plasma cercanos a los del reactor.

reacción nuclear en cadena- una secuencia de reacciones nucleares simples, cada una de las cuales es causada por una partícula que apareció como producto de reacción en el paso anterior de la secuencia. Un ejemplo de reacción nuclear en cadena es una reacción en cadena de fisión de núcleos de elementos pesados, en la que la mayoría de los eventos de fisión son iniciados por neutrones obtenidos de la fisión nuclear en la generación anterior.

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Física nuclear. Reacciones nucleares. Reacción en cadena de la fisión nuclear. estación de energía nuclear

Fuerzas nucleares Energía de enlace de partículas en el núcleo Fisión de núcleos de uranio Reacción en cadena

reacciones nucleares

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Mecanismo de liberación de energía

La transformación de una sustancia va acompañada de la liberación de energía libre solo si la sustancia tiene una reserva de energía. Esto último significa que las micropartículas de la sustancia están en un estado con una energía de reposo mayor que en otro estado posible, la transición a la que existe. Una transición espontánea siempre se ve obstaculizada por una barrera energética, para superar la cual una micropartícula debe recibir del exterior una cierta cantidad de energía: energía de excitación. La reacción exoenergética consiste en que en la transformación que sigue a la excitación se libera más energía de la necesaria para excitar el proceso. Hay dos formas de superar la barrera de la energía: ya sea debido a la energía cinética de las partículas que chocan, o debido a la energía de enlace de la partícula que se une.

Si tenemos en cuenta las escalas macroscópicas de liberación de energía, entonces la energía cinética necesaria para la excitación de las reacciones debe tener todas o, en primer lugar, al menos una fracción de las partículas de la sustancia. Esto solo se puede lograr cuando la temperatura del medio aumenta a un valor en el que la energía del movimiento térmico se acerca al valor del umbral de energía que limita el curso del proceso. En el caso de las transformaciones moleculares, es decir reacciones químicas, tal aumento suele ser de cientos de kelvin, en el caso de las reacciones nucleares es de un mínimo de 10 7 K debido a la misma gran altura Barreras de Coulomb de núcleos en colisión. La excitación térmica de las reacciones nucleares se realiza en la práctica sólo en la síntesis de los núcleos más ligeros, para los cuales las barreras de Coulomb son mínimas (fusión termonuclear).

La excitación mediante la unión de partículas no requiere una gran energía cinética y, por lo tanto, no depende de la temperatura del medio, ya que se produce debido a los enlaces no utilizados inherentes a las partículas de las fuerzas de atracción. Pero, por otro lado, las propias partículas son necesarias para excitar las reacciones. Y si nuevamente no tenemos en mente un acto de reacción separado, sino la producción de energía a escala macroscópica, entonces esto es posible solo cuando ocurre una reacción en cadena. Este último surge cuando las partículas que excitan la reacción reaparecen como productos de una reacción exoenergética.

reacciones en cadena

Las reacciones en cadena están muy extendidas entre las reacciones químicas, donde los átomos libres o los radicales desempeñan el papel de partículas con enlaces no utilizados. El mecanismo de reacción en cadena durante las transformaciones nucleares puede ser proporcionado por neutrones que no tienen una barrera de Coulomb y excitan los núcleos tras la absorción. La aparición de la partícula necesaria en el medio provoca una cadena de reacciones sucesivas, una tras otra, que continúa hasta que la cadena se termina debido a la pérdida de la partícula portadora de la reacción. Hay dos razones principales para las pérdidas: la absorción de una partícula sin la emisión de una secundaria y la salida de la partícula fuera del volumen de la sustancia que soporta el proceso de cadena. Si en cada acto de reacción solo aparece una partícula transportadora, entonces la reacción en cadena se llama no ramificado... Una reacción en cadena no ramificada no puede conducir a la liberación de energía a gran escala.

Si en cada acto de reacción o en algunos eslabones de la cadena aparece más de una partícula, entonces surge una reacción en cadena ramificada, porque una de las partículas secundarias continúa la cadena iniciada, mientras que las otras dan nuevas cadenas que se ramifican nuevamente. Es cierto que los procesos que conducen a la ruptura de la cadena compiten con el proceso de ramificación, y la situación emergente da lugar a fenómenos limitantes o críticos específicos de las reacciones en cadena ramificada. Si el número de circuitos abiertos es mayor que el número de nuevos circuitos que aparecen, entonces reacción en cadena autosuficiente(SCR) resulta imposible. Incluso si se excita artificialmente mediante la introducción de una cierta cantidad de partículas necesarias en el medio, dado que el número de cadenas en este caso solo puede disminuir, el proceso que ha comenzado se extingue rápidamente. Si el número de nuevas cadenas formadas supera el número de roturas, la reacción en cadena se propaga rápidamente por todo el volumen de la sustancia cuando aparece al menos una partícula inicial.

La región de estados de la materia con el desarrollo de una reacción en cadena autosostenida está separada de la región donde una reacción en cadena es generalmente imposible, condición crítica... Una condición crítica se caracteriza por la igualdad entre el número de nuevos circuitos y el número de rupturas.

El logro de un estado crítico está determinado por una serie de factores. La fisión de un núcleo pesado es excitada por un neutrón y, como resultado del acto de fisión, aparece más de un neutrón (por ejemplo, para 235 U, el número de neutrones nacidos en un acto de fisión es en promedio de 2 a 3) . En consecuencia, el proceso de fisión puede dar lugar a una reacción en cadena ramificada, que será transportada por neutrones. Si la tasa de pérdida de neutrones (capturas sin fisión, salidas del volumen de reacción, etc.) compensa la tasa de multiplicación de neutrones de tal manera que el factor de multiplicación de neutrones efectivo es exactamente es igual a uno, entonces la reacción en cadena procede en modo estacionario. La introducción de retroalimentaciones negativas entre el factor de multiplicación efectivo y la tasa de liberación de energía permite una reacción en cadena controlada, que se utiliza, por ejemplo, en la energía nuclear. Si el factor de multiplicación es mayor que uno, la reacción en cadena se desarrolla exponencialmente; La reacción en cadena de fisión no controlada se usa en

Diagrama del dispositivo de una bomba nuclear.

Reacción en cadena de fisión

Los neutrones secundarios emitidos durante la fisión (2,5 piezas por acto de fisión) pueden provocar nuevos eventos de fisión, lo que permite llevar a cabo una reacción en cadena. La reacción en cadena de fisión se caracteriza por el factor de multiplicación de neutrones K, que es igual a la relación entre el número de neutrones en una generación determinada y su número en la generación anterior. Un prerequisito es el desarrollo de una reacción en cadena de fisión. Al menos, la reacción es imposible. Cuando la reacción procede cuando número constante neutrones (potencia constante de la energía liberada). Esta es una respuesta autosuficiente. At es una reacción amortiguada. El factor de multiplicación depende de la naturaleza del material fisible, el tamaño y la forma del núcleo. La masa mínima de material fisionable requerida para una reacción en cadena se llama crítica. Pues la masa crítica es de 9 kg, mientras que el radio de la bola de uranio es de 4 cm.

Las reacciones en cadena pueden ser controladas y no controladas. La explosión de una bomba atómica es un ejemplo de una reacción fuera de control. La carga nuclear de una bomba de este tipo es de dos o más piezas de casi puro o. La masa de cada pieza es menor que la crítica, por lo que no se produce una reacción en cadena. Por lo tanto, para que ocurra una explosión, basta con combinar estas partes en una sola pieza, con una masa mayor que la crítica. Esto debe hacerse muy rápidamente y la conexión de las piezas debe ser muy apretada. De lo contrario, la carga nuclear se desintegrará antes de que pueda reaccionar. Se utiliza un explosivo común para la conexión. La capa sirve como reflector de neutrones y, además, evita que la carga nuclear chisporrotee hasta que el número máximo de núcleos libere toda la energía durante la fisión. Reacción en cadena en bomba atómica va en neutrones rápidos. Durante la explosión, sólo una parte de los neutrones de la carga nuclear tiene tiempo de reaccionar. La reacción en cadena conduce a la liberación de energía colosal. La temperatura que se desarrolla al mismo tiempo alcanza grados. El poder destructivo de la bomba lanzada sobre Hiroshima por los estadounidenses fue equivalente a la explosión de 20.000 toneladas de TNT. Las nuevas armas son cientos de veces más poderosas que las primeras. Si a esto le sumamos que para explosión atómica hay una gran cantidad de fragmentos de fisión, incluidos los de muy larga vida, se hará evidente el terrible peligro que representa esta arma para la humanidad.

Al cambiar el factor de multiplicación de neutrones, se puede realizar una reacción en cadena controlada. El dispositivo en el que se lleva a cabo una reacción controlada se denomina reactor nuclear. El uranio natural o enriquecido sirve como material fisionable. Para evitar la captura radiativa de neutrones por parte de los núcleos de uranio, se colocan bloques relativamente pequeños de materia fisionable a cierta distancia unos de otros, y los huecos se rellenan con una sustancia que ralentiza los neutrones (moderador). Los neutrones se ralentizan por dispersión elástica. En este caso, la energía perdida por la partícula desacelerada depende de la relación de las masas de las partículas que chocan. La máxima cantidad de energía se pierde si las partículas tienen la misma masa. El deuterio, el grafito y el berilio satisfacen esta condición. El primer reactor de uranio-grafito se puso en marcha en 1942 en la Universidad de Chicago bajo la dirección del eminente físico italiano Fermi. Para aclarar el principio de funcionamiento del reactor, consideremos un esquema típico de un reactor térmico en la Fig. 1.

Figura 1.

En el núcleo del reactor hay elementos combustibles 1 y un moderador 2, que reduce la velocidad de los neutrones a velocidades térmicas. Los elementos combustibles (barras de combustible) son bloques de material fisionable encerrados en una capa sellada que absorbe neutrones débilmente. Debido a la energía liberada durante la fisión nuclear, los elementos combustibles se calientan y, por lo tanto, para enfriarlos, se colocan en el flujo de refrigerante (3-5 - canal de refrigerante). El núcleo está rodeado por un reflector para reducir la fuga de neutrones. La reacción en cadena está controlada por barras de control especiales hechas de materiales que absorben fuertemente los neutrones. Los parámetros del reactor se calculan de tal manera que cuando las varillas están completamente insertadas, la reacción ciertamente no tiene lugar. Con la eliminación gradual de las varillas, el factor de multiplicación de neutrones aumenta y, en cierta posición, alcanza la unidad. En este momento, el reactor comienza a funcionar. A medida que el reactor opera, la cantidad de material fisionable en el núcleo disminuye y se contamina con fragmentos de fisión, entre los cuales puede haber fuertes absorbentes de neutrones. Para que la reacción no se detenga, desde el núcleo con la ayuda de dispositivo automático las barras de control se retiran gradualmente. Tal control de reacciones es posible debido a la existencia de neutrones retrasados emitidos por núcleos fisionables con un retraso de hasta 1 min. Cuando el combustible nuclear se quema, la reacción se detiene. Antes de que se vuelva a poner en marcha el reactor, se extrae el combustible nuclear quemado y se carga con uno nuevo. También hay barras de emergencia en el reactor, cuya introducción interrumpe inmediatamente la reacción. Reactor nuclear es una poderosa fuente de radiación penetrante, aproximadamente veces mayor que normas sanitarias... Por lo tanto, cualquier reactor tiene protección biológica, un sistema de escudos hechos de materiales protectores (por ejemplo, hormigón, plomo, agua), ubicado detrás de su reflector y un control remoto.

Por primera vez, la energía nuclear con fines pacíficos se utilizó en la URSS. En 1954, bajo la dirección de Kurchatov, se puso en marcha en Obninsk la primera central nuclear con una capacidad de 5 MW.

Sin embargo, los reactores térmicos de uranio pueden resolver el problema del suministro eléctrico a una escala limitada, que viene determinada por la cantidad de uranio.

La forma más prometedora de desarrollar la energía nuclear es el desarrollo de reactores de neutrones rápidos, los llamados reactores reproductores. Tal reactor produce más combustible nuclear del que consume. La reacción se lleva a cabo en los neutrones rápidos, por lo tanto, no solo pueden participar en ella, sino también en los que se convierte. Este último se puede separar químicamente. Este proceso se llama reproducción de combustible nuclear. En los reactores reproductores especiales, la relación de reproducción del combustible nuclear supera la unidad. La zona activa de los reproductores es una aleación de uranio enriquecido con isótopos con un metal pesado que absorbe poco los neutrones. No hay moderador en los reactores reproductores. Controlar tales reactores moviendo el reflector o cambiando la masa de materia fisionable.