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Introducción a la Energía Nuclear
Encontrar recursos energéticos inagotables, baratos y no contaminantes ha sido un
afán del hombre prácticamente desde la revolución industrial. Los combustibles
tradicionales (carbón, petróleo, gas...) resultan caros, contaminan y son cada vez
más escasos.
El gran salto cuantitativo lo dio el descubrimiento, hacia 1938-1939, de que la
fisión, esto es, la separación del núcleo de un átomo en otros elementos, liberaba
gran cantidad de energía. Desgraciadamente esta energía, a pesar de su
rendimiento, es también altamente peligrosa -recuérdese que uno de sus primeros
usos fue el militar en Hiroshima y Nagasaki-. Ténganse en cuenta también los
desastres de Chernobil y las fugas radiactivas, paradas de reactorespor problemas
diversos... aparte de los problemas que no se dan a conocer.
La alternativa de futuro es la fusión nuclear. Pero antes de continuar conviene
aclarar algunos conceptos fundamentales. La energía nuclear debe su nombre a
que se basa en el poder de los núcleos de los átomos, por lo que debemos definir qué
es un átomo, lo cual no resulta del todo fácil. Como aproximación baste decir que es
la partícula más pequeña de un elemento químico que entra en combinación para
formar dicho elemento.
El átomo:
En física nuclear se estudian las llamadas partículas fundamentales, esto es, las
que forman parte de todos los átomos, y que según su número en éstos darán los
distintos tipos de átomos. Las partículas más conocidas y las necesarias a los
efectos de este trabajo son el electrón, el protón y el neutrón.
Composición.- Un átomo está compuesto por un núcleo, formado por neutrones (no
siempre) y protones -llamados conjuntamente nucleones-. Estos con carga eléctrica
positiva y aquellos neutra; a su vez, el átomo consta de una envoltura electrónica a
base de electrones, de carga eléctrica negativa. En la naturaleza todos los átomos
son eléctricamente neutros, teniendo igual número de protones que de electrones.
Los electrones giran en torno al núcleo gracias a las fuerzas de atracción y
repulsión (cargas eléctricamente opuestas se atraen. Para evitar que los electrones
se unan al núcleo aquellos giran, como decimos, velozmente en diversos niveles de
energía. A más lejanía de cada nivel respecto del núcleo más despacio giran, pues
las fuerzas de atracción son inferiores.
Un poco de historia
Todo comenzó cuando Albert Einstein descubrió su famosa fórmula E=MC2, donde
E es la Energía liberada, M la diferencia de masa o incremento, y C es la velocidad
de la luz. Esta ecuación significa que la masa se puede transformar en Energía y al
revés, la energía en masa. Según esta fórmula, cuando en un proceso se pierde
masa, esta no desaparece sin más, se transforma en energía, según la fórmula
anterior. Según dicha fórmula, una pequeña cantidad de masa, libera gran
cantidad de energía, pues la velocidad de la luz al cuadrado es:
90.000.000.000.000.000, que al multiplicarlo por la masa, resulta una energía
grande en comparación con la masa transformada. Por ejemplo, si se transforma un
miligramo de masa en energía, tenemos que la Energía liberada es: E =
0.000001Kg*90.000.000.000.000.000= 90.000.000.000 julios = 90 giga julios.
Para hacerse una idea de la energía desprendida, supongamos que tenemos un
reactor nuclear que es capaz de transformar un miligramo de masa en energía en
una hora, y que se aprovecha toda la energía. Pues bien, la potencia sería W=E / T,
donde E es la Energía y T el tiempo. Una hora son 3.600 segundos, luego
W=90.000.000.000 / 3600 = 25.000.000 Watios = 25 megawatios. Una casa
convencional, consume unos 3,3 kilowatios·hora. Si tenemos esto en cuenta,
tenemos que con esa energía podríamos satisfacer a 7.576 hogares (téngase en
cuenta que hay televisión, horno, frigorífico, estufa, ., aunque si consideramos que
no llegan a la máxima potencia, pues casi nunca se llega a 3300 watios/hora, y que
por la noche apenas consumen energía, se podría satisfacer a más del doble de
hogares). En las centrales nucleares, hay muchos cilindros de Uranio, y con ello se
consigue una gran cantidad de energía, ya que se consigue una potencia de unos
900 megawatios, siendo la energía suministrada por las centrales nucleares, la
tercera parte de la energía total suministrada por todas las distintas centrales
(hidráulicas, solares, eólicas,.) en España.
La primera aplicación práctica fue la bomba atómica, en la cual se liberó una
energía de 12 kilotones (energía equivalente a 12.000 toneladas de explosivo TNT),
destruyendo una ciudad entera. Esta es una forma de liberación de energía de
forma incontrolada. En las centrales nucleares, el proceso está controlado, de forma
que la energía no sea gigantesca, ya que destruiría el reactor, y se transformaría en
una bomba atómica.
En la década de los 70, hubo una gran crisis energética originada por la escasez del
petróleo. Esto promovió la construcción de las primeras centrales nucleares del
mundo, teniendo por combustible el Uranio, evitando así, tener que depender del
petróleo, y de los países exportadores, dado que con las reservas de Uranio, se
puede seguir produciendo energía mediante este, durante cientos de años.
Actualmente, existen aproximadamente 450 reactores nucleares en el mundo, que
generan aproximadamente el 16% del total de la energía mundial generada.
España construyó su primera central nuclear en 1.968 (C.N. José Cabrera) con una
potencia de 160 MegaWatios.
Actualmente, España cuenta con nueve reactores nucleares, distribuidos en siete
centrales nucleares españolas.
Diferencias entre fisión y fusión nuclear
Fisión nuclear
La fisión nuclear es una reacción en la cual al hacer incidir neutrones sobre un
núcleo pesado, éste se divide en dos núcleos, liberando una gran cantidad de
energía y emitiendo dos o tres neutrones.
Fue descubierta por O. Hahn y F. Strassmann en 1938, al detectar elementos de
pequeña masa en una muestra de uranio puro irradiada con neutrones.
El proceso de fisión es posible por la inestabilidad que tienen los núcleos de algunos
isótopos de elementos químicos de alto número atómico, como por ejemplo el uranio
235, debido a la relación existente entre el número de partículas de carga eléctrica
positiva (protones) y el número de partículas nucleares de dichos núcleos (protones
y neutrones).
Basta una pequeña cantidad de energía como la que transporta el neutrón que
colisiona con el núcleo, para que pueda producirse la reacción de fisión. A su vez,
los neutrones emitidos en la fisión de un núcleo pueden ocasionar nuevas fisiones
al interaccionar con nuevos núcleos fisionables que emitirán nuevos neutrones y así
sucesivamente. A este efecto multiplicador se le conoce con el nombre de reacción
en cadena.
La primera reacción de fisión en cadena sostenida la consiguió Enrico Fermi en
1942, en la Universidad de Chicago. En una pequeña fracción de segundo, el
número de núcleos que se han fisionado libera una energía un millón de veces
mayor que la obtenida al quemar un bloque de carbón o explotar un bloque de
dinamita de la misma masa.
Cuando se consigue que sólo un neutrón de los liberados produzca una fisión
posterior, el número de fisiones que tienen lugar por segundo es constante y la
reacción está controlada.
En este principio de fisión están basados los 436 reactores nucleares que funcionan
en todo el mundo y que producen el 17% de la electricidad que se consume
mundialmente.
Fusión nuclear
La fusión nuclear es la reacción en la que dos núcleos muy ligeros, en general el
hidrógeno y sus isótopos, se unen para formar un núcleo más pesado y estable, con
gran desprendimiento de energía. La energía producida por el Sol tiene este origen.
Para que se produzca la fusión, es necesario que los núcleos cargados positivamente
se aproximen venciendo las fuerzas electrostáticas de repulsión. En la Tierra,
donde no se puede alcanzar la gran presión que existe en el interior del Sol, la
energía necesaria para que los núcleos que reaccionan venzan las interacciones se
puede suministrar en forma de energía térmica o utilizando un acelerador de
partículas.
La solución más viable es la fusión térmica. Estas reacciones de fusión térmica,
llamadas reacciones termonucleares, se producen en los reactores de fusión y
fundamentalmente con los isótopos de hidrógeno.
El aprovechamiento por el hombre de la energía de fusión pasa por la investigación
y el desarrollo de sistemas tecnológicos que cumplan dos requisitos fundamentales:
calentar y confinar. Calentar para conseguir un gas sobrecalentado (plasma) en
donde los electrones salgan de sus órbitas y donde los núcleos puedan ser
controlados por un campo magnético; y confinar, para mantener la materia en
estado de plasma o gas ionizado, encerrada en la cavidad del reactor el tiempo
suficiente para que pueda reaccionar.
La ganancia energética de la fusión consiste en que la energía necesaria para
calentar y confinar el plasma sea menor que la energía liberada por las reacciones
de fusión.
Este tipo de reacciones son muy atractivas como fuente de energía ya que el
deuterio no es radiactivo y se encuentra de forma natural y prácticamente
ilimitada en la naturaleza. El tritio no se presenta de forma natural y además es
radiactivo. Sin embargo las investigaciones están básicamente centradas en las
reacciones deuterio-tritio, debido a que liberan una mayor energía y la temperatura
a la que tiene lugar la fusión es considerablemente menor que en las otras.
La tecnología de fusión se está desarrollando en dos líneas principales:

Fusión por confinamiento magnético: Las partículas eléctricamente
cargadas del plasma son atrapadas en un espacio limitado por un campo
magnético al describir trayectorias helicoidales determinadas por las líneas
de fuerza de dicho campo. El dispositivo más desarrollado tiene forma

toroidal y se denomina Tokamak (siendo esta la tecnología utilizada en el
proyecto ITER).
Fusión por confinamiento inercial: Consiste en crear un medio tan denso
que las partículas no tengan prácticamente ninguna posibilidad de escapar
sin chocar entre sí. Súbitamente impactada por poderosos haces luminosos
creados por láser, una pequeña esfera de un compuesto sólido de deuterio y
tritio implosiona bajo los efectos de la onda de choque. De esta forma, se
hace cientos de veces más densa que en su estado sólido normal y explosiona
bajo los efectos de la reacción de fusión.
Actualmente hay reactores de investigación para lograr producir electricidad a
través de este proceso. Cabe destacar el Reactor Experimental Termonuclear
Internacional ITER en el que participan la Unión Europea, China, Japón, Rusia,
India, Corea del Sur y Estados Unidos.
Desarrollo teórico de la fusión nuclear
Fusión nuclear
Fusión de deuterio con tritio, por la cual se producen helio 4, se liberan
un neutrón y se generan 17,59 MeV de energía, como cantidad de masa apropiada
convertida de la energía cinética de los productos, según la fórmula E = Δm c2.
En física nuclear, fusión nuclear es el proceso por el cual varios núcleos atómicos de
carga similar se unen y forman un núcleo más pesado. Simultáneamente se libera o
absorbe una cantidad enorme de energía, que permite a la materia entrar en un
estado plasmático.
La fusión de dos núcleos de menor masa que el hierro (en este elemento y en
el níquel ocurre la mayor energía de enlace por nucleón) libera energía en general.
Por el contrario, la fusión de núcleos más pesados que el hierro absorbe energía. En
el proceso inverso, la fisión nuclear, estos fenómenos suceden en sentidos opuestos.
En el caso más simple de fusión, en el hidrógeno, dos protones deben acercarse lo
suficiente para que la interacción nuclear fuerte pueda superar su repulsión
eléctrica mutua y obtener la posterior liberación de energía.
En la naturaleza ocurre fusión nuclear en las estrellas, incluido el sol. En su
interior las temperaturas son cercanas a 15 millones de grados Celsius.1 Por ello a
las reacciones de fusión se les denomina termonucleares. En varias empresas se ha
logrado también la fusión (artificial), aunque todavía no ha sido totalmente
controlada.
Sobre la base de los experimentos de transmutación nuclear de Ernest Rutherford,
conducidos pocos años antes, Mark Oliphant, en 1932, observó por vez primera la
fusión de núcleos ligeros (isótopos de hidrógeno).
Posteriormente, durante el resto de ese decenio, Hans Bethe estudió las etapas del
ciclo principal de la fusión nuclear en las estrellas.
La investigación acerca de la fusión para fines militares se inició en los años 40 del
siglo XX como parte del Proyecto Manhattan, pero no tuvo buen éxito hasta 1952.
La indagación relativa a fusión controlada con fines civiles se inició en el decenio
siguiente, los 50, y continúa hasta la fecha.
Descripción general
Requisitos
Para que pueda ocurrir la fusión debe superarse una importante barrera de energía
producida por la fuerza electrostática. A grandes distancias, dos núcleos se repelen
debido a la fuerza de repulsión electrostática entre sus protones, cargados
positivamente.
Sin embargo, si se puede acercar dos núcleos lo suficiente, debido a la interacción
nuclear fuerte, que en distancias cortas es mayor, se puede superar la repulsión
electrostática.
Cuando un nucleón (protón o neutrón) se añade a un núcleo, la fuerza nuclear atrae
a otros nucleones, pero -debido al corto alcance de esta fuerza- principalmente a sus
vecinos inmediatos. Los nucleones del interior de un núcleo tienen más vecinos
nucleones que los existentes en la superficie.
Ya que la relación entre área de superficie y volumen de los núcleos menores es
mayor, por lo general la energía de enlace por nucleón debido a la fuerza
nuclear aumenta según el tamaño del núcleo, pero se aproxima a un valor límite
correspondiente al de un núcleo cuyo diámetro equivalga al de casi cuatro
nucleones.
Por otra parte, la fuerza electrostática es inversa al cuadrado de la distancia. Así, a
un protón añadido a un núcleo le afectará una repulsión electrostática de todos los
otros protones.
Por tanto, debido a la fuerza electrostática, cuando los núcleos se hacen más
grandes, la energía electrostática por nucleón aumenta sin límite.
En distancias cortas la interacción nuclear fuerte (atracción) es mayor que la
fuerza electrostática (repulsión). Así, la mayor dificultad técnica para la fusión es
conseguir que los núcleos se acerquen lo suficiente para que ocurra este
fenómeno. Las distancias no están a escala..
El resultado neto de estas fuerzas opuestas es que generalmente la energía de
enlace por nucleón aumenta según el tamaño del núcleo, hasta llegar a los
elementos hierro y níquel, y un posterior descenso en los núcleos más pesados.
Finalmente la energía de enlace se convierte en negativa, y los núcleos más
pesados (con más de 208 nucleones, correspondientes a un diámetro de alrededor
de seis nucleones) no son estables.
Cuatro núcleos muy estrechamente unidos, en orden decreciente de energía de
enlace, son 62Ni, 58Fe, 56Fe, y 60Ni.2 A pesar de que elisótopo de níquel 62Ni es más
estable, el isótopo de hierro 56Fe es una orden de magnitud más común. Esto se
debe a mayor tasa de desintegración de 62Ni en el interior de las estrellas,
impulsada por absorción de fotones.
Una notable excepción a esta tendencia general es el núcleo helio 4He, cuya energía
de enlace es mayor que la del litio, el siguiente elemento por incremento de peso.
En el principio de exclusión de Pauli se proporciona una explicación a esta
excepción: debido a que los protones y los neutrones sonfermiones, no pueden
existir en el mismo estado.
A causa de que el núcleo del 4He está integrado por dos protones y dos neutrones,
de modo que sus cuatro nucleones pueden estar en el estado fundamental, su
energía de enlace es anormalmente grande. Cualquier nucleón adicional tendría
que ubicarse en estados de energía superiores.
Tres ventajas de la fusión nuclear son: a) en gran parte sus desechos no revisten la
problemática de los provenientes de fisión; b)abundancia -y buen precio- de
materias primas, principalmente del isótopo de hidrógeno deuterio (D); c) si
una instalación dejara de funcionar se apagaría inmediatamente, sin peligro de
fusión no nuclear.
En un diseño prometedor, para iniciar la reacción, varios rayos láser de alta
potencia transfieren energía a una pastilla de combustible pequeña, que se calienta
y se genera una implosión: desde todos los puntos se colapsa y se comprime hasta
un volumen mínimo, lo cual provoca la fusión nuclear.
Confinamiento electrostático estable para fusión nuclear
Como se puede apreciar en el dibujo de arriba, se basa en circunscripción total
de iones de hidrógeno, confinados electrostáticamente.
Los beneficios de este confinamiento son múltiples:

El grosor de la esfera de cobre anula la inestabilidad causada por errores
de simetría.

La ionización del hidrógeno se genera fácilmente por el campo eléctrico que
absorbe los electrones sin disminuir la intensidad de ese campo.

Se puede obtener un campo eléctrico intenso, lo cual evitaría fuga de los
iones de hidrógeno.

La energía necesaria es menor que la consumida por un reactor de
fusión que genere un campo electromagnético para confinar los iones.
La fusión nuclear se logra por medio de compresión-descompresión, aumentando o
disminuyendo la intensidad del campo eléctrico. Para ello se aumenta o se
disminuye la velocidad del generador de electricidad.
Como moderador de neutrones se puede utilizar plomo, aunque habría que probar
su eficacia.
Ventajas de la fusión
La fusión nuclear es un recurso energético potencial a gran escala, que puede ser
muy útil para cubrir el esperado aumento de demanda de energía a nivel mundial,
en el próximo siglo. Cuenta con grandes ventajas respecto a otros tipos de recursos:



Los combustibles primarios son baratos, abundantes, no radioactivos y
repartidos geográficamente de manera uniforme (el agua de los lagos y los
océanos contiene hidrógeno pesado suficiente para millones de años, al
ritmo actual de consumo de energía).
Sistema intrínsecamente seguro: el reactor sólo contiene el combustible para
los diez segundos siguientes de operación. Además el medio ambiente no
sufre ninguna agresión: no hay contaminación atmosférica que provoque la
"lluvia ácida" o el "efecto invernadero".
La radiactividad de la estructura del reactor, producida por los neutrones
emitidos en las reacciones de fusión, puede ser minimizada escogiendo
cuidadosamente los materiales, de baja activación. Por tanto, no es preciso
almacenar los elementos del reactor durante centenares y millares de años.
Estado actual
Actualmente se ha producido energía de fusión nuclear en dos máquinas distintas,
el JET (Joint European Torus) de la Unión Europea en Oxfordshire, y el TFTR
(Toroidal Fusion Thermonuclear Reactor) en Princeton. Los dos son dispositivos de
fusión por confinamiento magnético.
Se ha conseguido sólo en estas máquinas porque son las únicas que han inyectado
tritio a un plasma de deuterio. El resto de máquinas funciona con plasmas de sólo
deuterio o sólo hidrógeno para investigar en el comportamiento del plasma a altas
temperaturas, pero sin producir fusiones.
Se ha demostrado la viabilidad científica de la producción de energía mediante
fusión nuclear. El siguiente paso es construir un reactor que demuestre la
viabilidad tecnológica para producir energía eléctrica a partir de la de fusión. Este
reactor será ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor),
actualmente en fase de diseño. Para el diseño y construcción de este gran reactor se
han asociado las diferentes comunidades de fusión (Rusia, Unión Europea, Japón y
USA) ya que el esfuerzo tecnológico y económico no puede ser afrontado por un solo
país.
Perspectivas de futuro
La investigación en fusión ha entrado en una fase en la cual la producción
experimental de una potencia de fusión del orden de un gigavatio es un objetivo
realizable. Para progresar en la investigación y desarrollo de reactores comerciales
es importante cubrir esta etapa.
La envergadura y el coste de este experimento serán similares a los de cualquier
instalación con una potencia de un gigavatio; el calendario para el estudio,
construcción y explotación será similar al de cualquier megaproyecto. ITER, la
siguiente generación, es una experiencia piloto para Europa y sus socios en el
campo de la fusión por confinamiento magnético.
El espíritu comunitario alcanzado por esta investigación en Europa desde hace
varias décadas, se ha transmitido al resto del planeta con la esperanza de poder
contar en el próximo siglo con la fusión termonuclear como fuente de energía
necesaria para la humanidad.
Gráfica ilustrativa
Con un kilogramo de hidrógeno lograríamos en una hora, mediante fusión, más del
triple de la energía producida por fisión en el mismo tiempo. Y lo que es más
asombroso: la fusión lograría 28 veces más energía que la que se obtiene de forma
solar y eólica. Es más, una única central de fusión doblaría la actual producción de
energía total, como pueden observar en el gráfico de abajo.
*Los datos correspondientes al Carbón, Petróleo, G.Natural, Hidráulica, Fisión y
Eólica y solar han sido extraídos del INE, y son la media de la producción de energía
que se ha producido en una hora desde el año 1991 hasta el 2008 en España. Los
datos correspondientes a la energía de fusión han sido estimados por ecuaciones
concluyendo que: 1kg de H -> 70.000.000 KW/h; 1gr. de H -> 173.000 KW/h.