La Energia Nuclear o Atómica

Introducción

La energía nuclear o energía atómica es la energía que se libera espontánea o artificialmente en las reacciones nucleares. Sin embargo, este término engloba otro significado, el aprovechamiento de dicha energía para otros fines, tales como la obtención de energía eléctrica, térmica y mecánica a partir de reacciones atómicas, y su aplicación, bien sea con fines pacíficos o bélicos. Así, es común referirse a la energía nuclear no solo como el resultado de una reacción sino como un concepto más amplio que incluye los conocimientos y técnicas que permiten la utilización de esta energía por parte del ser humano.

Existen varias disciplinas y técnicas que usan de base la energía nuclear y van desde la generación de electricidad en las centrales nucleares hasta las técnicas de análisis de datación arqueológica (arqueometría nuclear), la medicina nuclear usada en los hospitales, etc.

Los dos sistemas más investigados y trabajados para la obtención de energía aprovechable a partir de la energía nuclear de forma masiva son la fisión nuclear y la fusión nuclear. La energía nuclear puede transformarse de forma descontrolada, dando lugar al armamento nuclear; o controlada en reactores nucleares en los que se produce energía eléctrica, energía mecánica o energía térmica. Tanto los materiales usados como el diseño de las instalaciones son completamente diferentes en cada caso.

Energía atómica

La energía atómica

La energía atómica es la energía de los núcleos atómicos, energía que es liberada cuando se bombardea un átomo con neutrones. Esto tiene como consecuencia que los átomos se desintegren para formar nuevos átomos y liberar una gran cantidad de energía.

El descubrimiento de la energía atómica ha puesto en manos de la humanidad la mayor fuente de energía conocida, cuyo potencial destructivo amenaza la supervivencia de la especie humana y la estabilidad del planeta si no se establecen medidas de control y seguridad a nivel mundial.

El descubrimiento de le energía atómica es el resultado del trabajo en equipo realizado por científicos y científicas que estudiaron el comportamiento del átomo.

El núcleo del átomo

La materia inerte y la materia viva están formadas por moléculas que son combinaciones de átomos.

Los átomos presentan un núcleo cargado positivamente formados por protones (partículas cargadas positivamente) y neutrones (partículas neutras). Además presentan una corteza donde se desplazan los electrones cargados negativamente. Como las cargas positivas y negativas se balancean, el átomo es neutro. Cuando ciertos átomos emiten una radiación debido a la transformación del núcleo, se manifiesta lo que se conoce como radioactividad del átomo.

Los neutrones y protones que forman los núcleos tienen una masa aproximada de 1 u, estando el protón cargado eléctricamente con carga positiva +1, mientras que el neutrón no posee carga eléctrica. Teniendo en cuenta únicamente la existencia de las fuerzas electromagnética y gravitatoria, el núcleo sería inestable (ya que las partículas de igual carga se repelerían deshaciendo el núcleo), haciendo imposible la existencia de la materia. Por este motivo (ya que es obvio que la materia existe) fue necesario añadir a los modelos una tercera fuerza: la fuerza fuerte (hoy en día fuerza nuclear fuerte residual). Esta fuerza debía tener como características, entre otras, que era muy intensa, atractiva a distancias muy cortas (solo en el interior de los núcleos), siendo repulsiva a distancias más cortas (del tamaño de un nucleón), que era central en cierto rango de distancias, que dependía del espín y que no dependía del tipo de nucleón (neutrones o protones) sobre el que actuaba. En 1935, Hideki Yukawa dio una primera solución a esta nueva fuerza estableciendo la hipótesis de la existencia de una nueva partícula: el mesón. El más ligero de los mesones, el pion, es el responsable de la mayor parte del potencial entre nucleones de largo alcance (1 fm).

Historia de la radioactividad

La radioactividad que está presente de forma natural en todos los lugares de nuestro planeta y del universo que forma parte esencial de nuestro entorno, fue descubierta a finales del siglo XIX por Henry Becquerel.

Este científico demostró que el uranio emitía unas radiaciones invisibles y espontáneas que impresionaban las placas fotográficas y hacían que el aire condujera la electricidad.

Más tarde, Pierre y Marie Curie descubrieron otros dos elementos que emitían radiaciones parecidas al uranio, a los que nombraron polonio y radio, destacando que este último emitía radiaciones mas intensas que el uranio.

Los esposos Curie caracterizaron el fenómeno que originaba estas radiaciones y les dieron el nombre de radioactividad.

El 1903, los esposos Curie y Becquerel reciben el premio Nobel en Física por los trabajos realizados en el campo de la radioactividad.

Descubrimiento de la física nuclear

Enrico Fermi recibe el premio Nobel de Física en 1938 por sus trabajos relacionados con la producción de elementos radioactivos transuránicos (elementos mayores que el uranio) mediante el bombardeo de neutrones.

Enrico Fermi había comprobado que los neutrones eran absorbidos por los núcleos atómicos cuando un átomo era bombardeado con neutrones.

En 1934, Fermi bombardea urania con neutrones (partículas sin carga eléctrica) con la esperanza de obtener átomos del elemento 93. Ocurrió la absorción de neutrones y la sustancia formada emitió varias partículas beta, pero no logro identificar la presencia del átomo del elemento 93.

Después de que Fermi publicó el informe de sus trabajos, Otto Hahn y Lise Meitner, realizaron pruebas para tratar de identificar el átomo y encontraron que el isótopo que producía la radioactividad pertenecía a un elemento químicamente similar al bario.

Lise Meitner que era judía tuvo que salir de Alemania por el régimen antisemita de los nazis y establecrse en Estocolmo, Suecia.

Hahn se quedó en Alemania y siguió trabajando con el físico – químico Fritz Stranssmann pero no lograron identificar el átomo del elemento 93 sólo la radioactividad emitida por un átomo parecido al bario.

Lise Meitner luego de recibir los informes de Hahn y después de meditarlo profundamente llegó a la conclusión de que el núcleo de uranio se había partido en dos. Una de las formas más comunes de fragmentación del uranio es en dos átomos: el bario y el kripton.

Más tarde, Meitner y su sobrino Otto Frisch escribieron un artículo en el que sugerían que este era el proceso que ocurría, el trabajo fue publicado en enero de 1939. Cuando Otto Frisch le comunicó los resultados a Willian Arnold quien también trabajaba en experimentos radioactivos, este propuso llamar fisión a esa fragmentación del núcleo de uranio en dos mitades, término que se utilizó para designar en Biología la división de células vivas.

En 1944, Otto Hahn recibe el premio Nobel en Química sin reconocerle a Lise Meitner su participación en la investigación.

Durante la segunda guerra mundial, Fermi fue comisionado para diseñar y construir una estructura llamada pila atómica en la cual ocurriría una reacción en cadena autosostenible (Proyecto Manhattan).

La pila automática contenía uranio en combinación con bloques de grafito para frenar los neutrones hasta velocidades térmicas. También contenía barra de cadmio insertadas en la pila, para absorber neutrones y controlar la velocidad de reacción.

La creación del primer reactor nuclear del mundo marcó el inicio de la era atómica.

El poder de la pila atómica quedó demostrado cuando se utilizó militarmente en Hiroshima y Nagasaki.

La fusión y fisión nuclear

Para comprender que es la fisión nuclear es importante considerar los siguientes hechos:

• El núcleo de un átomo no es un objeto rígido.

• Los neutrones y protones dentro del núcleo se mueven a grandes velocidades.

• Cuando un núcleo de un elemento pesado es bombardeado por un neutrón, el núcleo cambia de forma y rápidamente se divide en dos núcleos livianos y libera gran cantidad de energía y varios neutrones.

• Cada núcleo fisionado emite dos o tres neutrones que provocan el fenómeno de reacciones en cadena.

La fusión nuclear es la unión de dos núcleos ligeros en uno mas pesado, obteniéndose cuatro veces mas energía que en la fisión nuclear.

Mientras que la fisión se puede controlar, la fusión plantea algunos inconvenientes que están en estudio y que se piensa resolver en el siglo XXI.

• Para que la fusión sea posible hay que vencer la repulsión electrostática entre dos núcleos igualmente cargados y en virtud del principio que dice que cargas iguales se repelen hay que aplicar una gran cantidad de energía para conseguir su unión.

Esto se logra gracias al calor que se aplica y está relacionada con millones de grados de temperaturas.

Ningún reactor alcanza esta temperatura ni soporta tanto calor. Este proceso ocurre en ele Sol y en las estrellas.

Teoría de la relatividad de Einstein.

Uno de los grandes aportes de Albert Einstein es la relación que estableció entre materia y energía en la teoría de la relatividad.

De acuerdo con esta ley, la materia y la energía son dos formas distintas de representar una misma magnitud física.

La materia se puede transformar en energía y la energía en materia de acuerdo con la siguiente ecuación:

La fusión y la fisión nuclear se comportan tal como se predice la teoría de la relatividad. Cuando el núcleo de un átomo pesado se bombardea con neutrones, este es fragmentado en dos núcleos livianos cuyas masas totales son menores que la masa del átomo pesado. La masa perdida se convierte n energía de acuerdo con la teoría de la relatividad especial de Einstein.

Aunque la diferencia de masa es muy pequeña y la ganancia por átomos es también pequeña, en un gramo de materia hay millones de átomo donde con poca cantidad de combustible se obtiene mucha energía.

La energía que recibimos del Sol en forma de luz, calor y otros tipos de radiaciones es la energía liberada en la fusión nuclear. Actualmente hay una gran cantidad de trabajos de investigación tendientes a producir energía de fusión en forma controlada.

Tecnología nuclear

Armas nucleares. Un arma es todo instrumento, medio o máquina que se destina a atacar o a defenderse. Según tal definición, existen dos categorías de armas nucleares:

• Aquellas que utilizan la energía nuclear de forma directa para el ataque o la defensa, es decir, los explosivos que usan la fisión o la fusión.

• Aquellas que utilizan la energía nuclear para su propulsión, pudiendo a su vez utilizar o no munición que utilice la energía nuclear para su detonación. En esta categoría se pueden citar los buques de guerra de propulsión nuclear (cruceros, portaaviones, submarinos, bombarderos, etc.).

Bomba atómica. Existen dos formas básicas de utilizar la energía nuclear desprendida por reacciones en cadena descontroladas de forma explosiva: la fisión y la fusión.

• Bomba de fisión: El 16 de julio de 1945 se produjo la primera explosión de una bomba de fisión creada por el ser humano: La Prueba Trinity.

Existen dos tipos básicos de bombas de fisión: utilizando uranio altamente enriquecido (enriquecimiento superior al 90% en 235U) o utilizando plutonio. Ambos tipos se fundamentan en una reacción de fisión en cadena descontrolada y solo se han empleado en un ataque real en Hiroshima y Nagasaki, al final de la Segunda Guerra Mundial.

Para que este tipo de bombas funcionen es necesario utilizar una cantidad del elemento utilizado superior a la Masa crítica. Suponiendo una riqueza en el elemento del 100%, eso supone 52 kg de 235U o 10 kg de 239Pu. Para su funcionamiento se crean 2 o más partes subcríticas que se unen mediante un explosivo químico convencional de forma que se supere la masa crítica.

Los dos problemas básicos que se debieron resolver para crear este tipo de bombas fueron:

• Generar suficiente cantidad del elemento físil a utilizar, ya sea uranio enriquecido o plutonio puro.

• Alcanzar un diseño en el que el material utilizado en la bomba no sea destruido por la primera explosión antes de alcanzar la criticidad.

El rango de potencia de estas bombas se sitúa entre aproximadamente el equivalente a una tonelada de TNT hasta los 500.000 kilotones.

Bomba de fusión: Tras el primer ensayo exitoso de una bomba de fisión por la Unión Soviética en 1949 se desarrolló una segunda generación de bombas nucleares que utilizaban la fusión. Se la llamó bomba termonuclear, bomba H o bomba de hidrógeno. Este tipo de bomba no se ha utilizado nunca contra ningún objetivo real. El llamado diseño Teller-Ullam (o secreto de la bomba H) separa ambas explosiones en dos fases.

Este tipo de bombas pueden ser miles de veces más potentes que las de fisión. En teoría no existe un límite a la potencia de estas bombas, siendo la de mayor potencia explotada la bomba del Zar, de una potencia superior a los 50 megatones.

Las bombas de hidrógeno utilizan una bomba primaria de fisión que genera las condiciones de presión y temperatura necesarias para comenzar la reacción de fusión de núcleos de hidrógeno. Los únicos productos radiactivos que generan estas bombas son los producidos en la explosión primaria de fisión, por lo que a veces se le ha llamado bomba nuclear limpia. El extremo de esta característica son las llamadas bombas de neutrones o bomba N, que minimizan la bomba de fisión primaria, logrando un mínimo de productos de fisión. Estas bombas además se diseñaron de tal modo que la mayor cantidad de energía liberada sea en forma de neutrones, con lo que su potencia explosiva es la décima parte que una bomba de fisión. Fueron concebidas como armas anti-tanque, ya que al penetrar los neutrones en el interior de los mismos, matan a sus ocupantes por las radiaciones

Generación de electricidad

Probablemente, la aplicación práctica más conocida de la energía nuclear es la generación de energía eléctrica para su uso civil, en particular mediante la fisión de uranio enriquecido. Para ello se utilizan reactores en los que se hace fisionar o fusionar un combustible. El funcionamiento básico de este tipo de instalaciones industriales es similar a cualquier otra central térmica, sin embargo poseen características especiales con respecto a las que usan combustibles fósiles:

• Se necesitan medidas de seguridad y control mucho más estrictas. En el caso de los reactores de cuarta generación estas medidas podrían ser menores, mientras que en la fusión se espera que no sean necesarias.

• La cantidad de combustible necesario anualmente en estas instalaciones es varios órdenes de magnitud inferior al que precisan las térmicas convencionales.

• Las emisiones directas de C02 y NOx en la generación de electricidad, principales gases de efecto invernadero de origen antrópico, son nulas; aunque indirectamente, en procesos secundarios como la obtención de mineral y construcción de instalaciones, sí se producen emisiones.

Regulación nuclear

La regulación nuclear puede separarse en cuatro grandes grupos:

• 1. Funciones de los reguladores nacionales,

• 2. Residuos,

• 3. Seguridad y

• 4. Protección radiológica.

Las bases científicas de toda la regulación internacional existente se fundan en estudios propios y recopilaciones llevadas a cabo por la CIPR, UNSCEAR o el NAS/BEIR americano. Además de estos, existen una serie de agencias de investigación y desarrollo en seguridad, como pueden ser la AEN o el EPRI. A partir de todas ellas, existen dos organismos internacionales que desarrollan las bases para la legislación: el OIEA (a nivel internacional) y EURATOM (en Europa).

También existen algunos organismos nacionales, que emiten documentación dedicada a cada uno de los campos, que sirven de guía a otros países. Así ocurre por ejemplo con la NCRP, la NRC o la EPA americanas, la HPA inglesa (antiguamente NRPB) o el CEA francés.

Además de estas regulaciones específicas, existen otras leyes y acuerdos que tienen en mayor o menor medida relación con la energía nuclear. Así por ejemplo las leyes de calidad del agua o la convención OSPAR. Aunque en el Protocolo de Kyoto, que trata sobre las industrias que emiten gases de efecto invernadero, no se menciona la energía nuclear, sí aparece en otros documentos referentes al calentamiento global antropogénico. Así, en los acuerdos de Bonn de 2001,52 se establecieron los mecanismos de compraventa de emisiones de gases de efecto invernadero y los mecanismos de intercambio de tecnologías, excluyendo ambos explícitamente a la energía nuclear. De este modo, no se pueden reducir las cuotas de emisión de los países altamente industrializados mediante la venta de tecnología nuclear a países menos desarrollados, ni se pueden vender las cuotas de emisiones a países que funden sus bajas emisiones en la energía nuclear. El IPCC, sin embargo, sí recomienda en su cuarto informe el uso de la energía nuclear como una de las únicas formas (junto a las energías renovables y la eficiencia energética) de reducir la emisión de gases de efecto invernadero

Controversia sobre la energía nuclear

Ventajas:

• La energía nuclear genera un tercio de la energía eléctrica que se produce en la Unión Europea, evitando así la emisión de 700 millones de toneladas de dióxido de carbono por año a la atmósfera.

• Por otra parte, también se evitan otras emisiones de elementos contaminantes que se generan en el uso de combustibles fósiles. Además, se reducen el consumo de las reservas de combustibles fósiles, generando con muy poca cantidad de combustible muchísima mayor energía, evitando así gastos en transportes.

• En la medicina, ha tenido importantes aportaciones: emisiones de radiación (para diagnóstico y terapia), como los rayos X y resonancias magnéticas; radiofármacos, que principalmente consiste en la introducción de sustancias al cuerpo, que pueden ser monitoreadas desde el exterior.

• En la alimentación ha permitido, por medio de las radiaciones ionizantes, la conservación de alimentos. También se ha logrado un aumento en la recolección de alimentos, ya que se ha combatido plagas, que creaban pérdidas en las cosechas.

• En la agricultura, se pueden mencionar las técnicas radioisotópicas y de radiaciones, las cuales son usadas para crear productos con modificación genética, como dar mayor color a alguna fruta o aumentar su tamaño.

Inconvenientes:

• Existe un alto riesgo de contaminación en caso de accidente o sabotaje.

• Se producen residuos radiactivos que son difíciles de almacenar y son activos durante mucho tiempo.

• Tiene un alto y prolongado coste de las instalaciones y mantenimiento de las centrales nucleares.

• Puede usarse con fines no pacíficos.

Conclusión

La energía atómica es aquella que se libera como resultado de cualquier reacción nuclear.

La principal característica de este tipo de energía es la alta cantidad de energía que puede producirse por unidad de masa de material utilizado en comparación con cualquier otro tipo de energía conocida por el ser humano.

Los dos sistemas con los que puede obtenerse energía nuclear de forma masiva son la fisión nuclear y la fusión nuclear. La energía nuclear puede transformarse de forma descontrolada, dando lugar al armamento nuclear; o controlada en reactores nucleares en los que se produce energía eléctrica, energía mecánica o energía térmica. Tanto los materiales usados como el diseño de las instalaciones son completamente diferentes en cada caso.

El uranio es uno de los combustibles nucleares más importantes. Contiene núcleos fisionables y puede emplearse en un reactor nuclear para que en él se desarrolle una reacción nuclear de fisión en cadena.

Actualmente, la industria nuclear de fisión, presenta varios peligros, que por ahora no tienen una rápida solución. Estos peligros, podrían llegar a tener una gran repercusión en el medio ambiente y en los seres vivos si son liberados a la atmósfera, o vertidos sobre el medio ambiente, llegando incluso a producir la muerte, y condenar a las generaciones venideras con mutaciones.

Bibliografía

Serrano V, Gladys E. Ciencia Naturales. Premedia, Octavo Grado. Susaeta Ediciones Panamá S.A.

http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_nuclear#Otros_sistemas_de_energ.C3.ADa_nuclear

Ilustraciones

Núcleo del Átomo

Enrico Fermi (1901-1954).Construyo el primer reactor nuclear en 1942 y más tarde trabajó en el proyecto e la bomba atómica.

Otto Hahn (1879-1968). Trabajó con Maitner para dividir el átomo, por tanto se le concedió el premio Nobel de Química en 1944.

Lise Meitner (1878-1968). Demostró que los átomos pesados pueden dividirse en átomos más ligeros, proceso llamado "fisión nuclear".

Albert Einstein

Central Nuclear

FISION Y FUSION NUCLEAR

Autor:

José Reyes Alveo