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Energía nuclear

Contenido del artículo
Generalidades
Fisión nuclear
Fusión nuclear

La energía almacenada en la unión entre las diferentes partículas subatómicas del átomo es gigantesca en comparación con la almacenada en los enlace químicos entre átomos en las sustancias.

En el artículo Física nuclear de este portal se brindan detalles de estas energías y de su origen en lo que se conoce como defecto de masa

Generalidades

Los hombres en su larga trayectoria de desarrollo han logrado utilizar la energía contenida en el núcleo atómico a través de los procesos conocidos como fisión nuclear y fusión nuclear.

La fisión nuclear es el rompimiento de núcleos grandes en mas pequeños y la fusión nuclear es lo contrario, la combinación de núcleos pequeños para formar uno grande. Ambos procesos pueden liberar mucha energía en proporción al defecto de masa que se produce al ir desde las materias primas (reaccionantes) a los productos y como usted sabe (si leyó el artículo de Física nuclear) no es necesario que se pierda mucha masa para obtener enormes cantidades de energía debido a que la equivalencia de masa a energía responde a la expresión E = mc2 donde c es la velocidad de la luz (3.0 x 108 m/s). El valor de c es tan grande que cualquier cantidad de masa perdida, aunque sea pequeña, implica una cantidad tremenda de energía disipada.


Desde hace ya varias décadas la humanidad puede llevar a cabo esas reacciones nucleares de dos maneras: de forma controlada y lenta para obtener energía útil, por ejemplo, para la generación de electricidad y de forma descontrolada y rápida en las bombas nucleares.

Fisión nuclear

Dentro de una instalación conocida como reactor nuclear la fisión se induce bombardeando neutrones a isótopos radiactivos pesados tal como el uranio-235 (235U) para romperlo en átomos más pequeños. El bombardeo de uranio-235 con neutrones puede comenzar una reacción nuclear que produzca 142Ba (bario-142) y 91Kr (kriptón-91) liberando 16 800 000 000 kJ por cada mol de uranio (235.4 g) convertido. Se deben quemar unos 500 000 litros de gasolina para obtener esa misma cantidad de energía.

Durante la fisión del 235U que puede representarse como sigue:

235U  + 1neutrón  --------->  142Ba  +  91Kr  +  3 neutrones

Se producen más neutrones que los que consume la reacción nuclear (se necesita 1 para romper el átomo y la rotura produce 3) y los neutrones producidos pueden incidir en otros tres átomos de uranio para romperlos y producir nueve nuevos neutrones los que a su vez pueden causar la fisión de otros nueve átomos de uranio y estos últimos generar otros 27 neutrones que pueden actuar sobre otros 27 átomos y así sucesivamente. Es fácil darse cuenta que la reacción puede salirse de control muy fácil y rápidamente y adquirir carácter explosivo.

A la sucesión de fisiones se le denomina reacción en cadena en la que cada evento de fisión producido puede dar lugar a más de un evento de fisión adicional subsecuente.

En un reactor nuclear de producción de energía civil la reacción en cadena se controla con el uso de barras de un material que absorbe neutrones tales como el cadmio o el boro. De todas maneras, aun sin control, no es posible que un reactor nuclear detone como bomba atómica, ya que para que este hecho se produzca la cantidad y la forma del uranio debe ser tal como para que los neutrones producidos, en buena parte, actúen sobre otros átomos e inicien nuevas fisiones y no se escapen fuera del material. La cantidad de material necesario para que la reacción en cadena tenga carácter explosivo se conoce como masa crítica que para el caso del uranio-235 es de 56 kg.

Nunca se ha diseñado un reactor nuclear que permita que se junten cantidades de material radiactivo que alcancen la masa crítica ya que estos puede producir grandes cantidades de energía con bastante poco combustible nuclear.
Aunque la posibilidad de que un reactor nuclear explote como bomba atómica no existe hay otros problemas relacionados que han limitado su uso como proveedores de energía, uno de ellos es la real posibilidad de un escape de material radioactivo al ambiente y el otro es el asunto de qué hacer con los desechos producidos una vez agotadas las posibilidades de generación de energía del combustible original. Estos desechos son también altamente radioactivos algunos de los cuales tienen un período de semi-desintegración de cientos, miles e incluso millones de años de modo que su almacenamiento en un lugar "seguro" es un gran reto.

Fusión nuclear


La energía que se produce en las estrellas y el sol se debe a procesos de fusión, en estos cuerpos celestes de grandes dimensiones se tienen las condiciones apropiadas para mantener la emisión de enormes cantidades de energía por la combinación de núcleos pequeños (principalmente hidrógeno) para formar núcleos mas grandes (normalmente helio), es decir hacer fusión nuclear sostenida. Durante la fusión del hidrógeno se pierde masa que se convierte en energía. Se han hecho cálculos que dicen que nuestro sol convierte a energía unos 4 x 1012 g de masa por segundo, es decir la astronómica cifra de cuatro millones de toneladas por segundo.

No existen hasta hoy reactores nucleares de fusión en la Tierra. La mayor limitante que impide la realización de la fusión nuclear en nuestro medio es la enorme temperatura necesaria para que los núcleos pequeños alcancen suficiente energía cinética como para vencer las fuerzas de repulsión entre ellos y se combinen en un núcleo nuevo. Se estima que la temperatura en el interior del sol es de unos 15 millones de grados kelvin y que esta es la que provee la energía cinética suficiente como para que los átomos de hidrógeno (mayoritario en el sol) puedan chocar con fuerza tal que se produzcan átomos de helio

Imagine usted en qué "caldero" se puede "cocinar" esta reacción aquí en la Tierra de forma sostenida, tales temperaturas vaporizan casi instantáneamente cualquier contenedor que quiera utilizarse no importa si es concreto, acero o grafito.
Las fusiones experimentales que se han llevado a cabo se han hecho sosteniendo la reacción en el espacio por medio de campos magnéticos y en general todavía no se ha superado el punto en el cual la energía sostenida suministrada por la fusión sea mayor que la utilizada para iniciarla, comúnmente en los reactores experimentales solo se ha logrado fusión por tiempos muy breves.

Desde el último tercio del siglo XX los físicos han pronosticado que la fusión nuclear como fuente de energía será posible en la Tierra en unos 20 años, pero concretamente las difíciles condiciones de trabajo y las astronómicas inversiones que hay que hacer no han permitido cumplir esas expectativas y es muy probable que falten aun unos 20 años más para que este sueño se haga realidad.

El beneficio de obtener energía eléctrica de la fusión en lugar de la fisión es tremendo, el principal combustible es el hidrógeno (especialmente sus isótopos pesados) el que abunda en cantidades inagotables en las aguas de los océanos y los productos de la reacción nuclear no son en principio desechos radiactivos de larga vida.

En el ínterin, los científicos encontraron la vía adecuada para producir fusión nuclear en forma descontrolada en las bombas de hidrógeno. En ellas un núcleo que contiene una bomba atómica (fisión) está rodeado de isótopos de hidrógeno, el desarrollo explosivo de la fisión en el núcleo produce las condiciones de temperatura para que se inicie la fusión en el hidrógeno que lo rodea y como no se hace el menor intento por controlar la reacción el resultado final es de una potencia explosiva extrema. Una bomba de hidrógeno actual puede literalmente borrar toda huella de civilización en un círculo de 60 kilómetros de diámetro.

Tema relacionado: Física nuclear.



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