(S-8) La Energía Nuclear

    Nota: Esta es una excursión a los fundamentos de la energía nuclear, más allá del ámbito de "De Astrónomos a Astronaves". Se incluye debido a que la energía nuclear es importante en la sociedad moderna y porque la sección S-7 "La Energía Solar" ha proporcionado las ideas básicas. Tenga en cuenta que aún sin matemática, puede ser un tema difícil y que la exposición es bastante larga.
Las ideas de la sección S-7 se van a revisar a continuación. El resto de la sección es una discusión cualitativa de los procesos principales que están implicados en el uso de la energía nuclear. 

Revisión de la Estructura Nuclear

La forma en que el Sol genera su energía ayuda a entender la forma en como lo hace una central nuclear. Sin embargo los dos procesos son muy diferentes. 

He aquí algunos hechos sobre la forma en que los protones y los neutrones se combinan para formar los núcleos, como se hizo en la sección S-7 sobre el Sol:

    1.-  Menos en su carga eléctrica, los protones y los neutrones ("nucleones") son muy similares. Pueden atraer otros nucleones y combinarse con ellos para formar núcleos más pesados, un proceso que libera energía. Por ejemplo, en el Sol pares de protones se combinan con pares de neutrones para formar  núcleos de helio. En el proceso, las partículas atómicas aumentan mucho su velocidad y es así como se genera el calor en el Sol. 

    2.- Diferente de la fuerza de gravedad o de la eléctrica, la fuerza nuclear es efectiva solo a distancias muy cortas. A distancias mayores, los protones se repelen entre si debido a su carga positiva, las cargas de la misma naturaleza se repelen.

    3.- Por esta razón, los protones forman los núcleos ordinarios de hidrógeno, p.e en un globo relleno de hidrógeno, no se combinan para formar helio (un proceso que también requiere algo para combinarse con los electrones para formar neutrones). No se acercan lo bastante para que actúe la fuerza nuclear, que los atrae. Solamente en el centro del Sol, bajo presiones y temperaturas extremas tiene lugar ese proceso.
    4.- Otros núcleos pequeños pueden igualmente combinarse en otros mayores y liberar energía, pero la combinación de estos núcleos libera mucha menos energía. La razón es que mientras que el proceso gana energía permitiendo que la atracción nuclear haga su trabajo, necesita gastar energía en forzar a juntarse a los protones cargados positivamente, que también se repelen entre sí debido a su carga eléctrica . 
    5.- Una vez que se alcanza el hierro, un núcleo con 26 protones, este proceso no gana más energía. En los núcleos mayores la energía se pierde, no se gana con la adicción de protones. Vencer la repulsión eléctrica (que afecta a todos los protones del núcleo) requiere más energía que la que se libera por la atracción nuclear (efectiva mayoritariamente entre vecinos cercanos). Normalmente la energía se ganará rompiendo los núcleos mayores que el hierro. 

    6.- En los mayores núcleos (elementos mayores que el plomo), la repulsión eléctrica es tan fuerte que algunos de ellos expelen de forma espontánea fragmentos, normalmente núcleos de helio, que forman combinaciones muy estables ("partículas alfa"). Esta rotura espontánea es una de las formas de radiactividad que se encuentra en los núcleos.

    7.- Los núcleos mayores que el uranio rompen de forma tan rápida que no se encuentran en la naturaleza, aunque se pueden producir artificialmente. Cuanto mayores sean, más rápida es su decadencia.
En suma, los núcleos de hierro son los más estables, y las mejores fuentes de energía son los núcleos mas pesados que el hierro, cuanto más pesados mejor. Podemos combinar los más ligeros, los núcleos de hidrógeno (protones), para formar núcleos de helio, y es así como se genera la energía en el Sol. O también se pueden romper los más pesados, los núcleos de uranio, en elementos más pequeños siendo así como lo hacen las compañías eléctricas en las centrales nucleares.

¿Cuantos Protones, cuantos Neutrones?

Como se dijo anteriormente, los protones y los neutrones ("nucleones") son intrínsecamente similares y se pueden convertir los unos en los otros absorbiendo o emitiendo un electrón para mantener la carga eléctrica apropiada. ¿Qué es lo que determina cuantos de cada hay en un núcleo? 

La fuerzas nucleares prefieren, aparentemente, cantidades iguales de cada tipo y los núcleos ligeros, el helio, carbón, nitrógeno, oxígeno, mantienen normalmente una relación 50:50, aunque pueden existir variantes (isótopos) con pequeñas desviaciones que también pueden ser estables. 

En los núcleos pesados, debido a la repulsión eléctrica entre los protones, esta igualdad no se mantiene. Imagine un núcleo con 56 nucleones y suponga que podemos escoger cuantos de su totalidad pueden ser neutrones o protones. ¿Cual será la combinación más estable?

Escoger 28 de cada tipo puede ser la unión nuclear más estable, pero esto se contrarresta por la energía requerida para mantener cercanos los 28 protones positivos. Así que la naturaleza se arregla: la combinación preferida, el núcleo de la forma más común del hierro, tiene 30 neutrones y solo 26 protones. 

Cuando los núcleos se hacen mayores, la parte de protones cae aún más, un 45% en los núcleos medios y menos del 40% en los más pesados, como el uranio. El uranio común ("U-238") tiene 92 protones y 146 neutrones, de un total de 238 nucleones. Como veremos, este cambio gradual en la relación  proton/neutron es esencial para la reacción nuclear en cadena.

Fisión Nuclear 

Los núcleos de uranio en la naturaleza son inestables. cada uno de sus 92 protones repele al resto y antes o después (la mitad de ellos en 4.500 millones de años) expulsan un fragmento positivo, una "partícula alfa" que es otra forma de llamar al movimiento rápido de núcleos de helio. Casi todos los átomos de helio que se extraen del gas natural y de las rocas, para llenar globos y otros usos, se originaron como partículas alfa.

Pero existe una forma de acelerar esta rotura, exponiendo al material a neutrones libres.

Los neutrones libres no se encuentran el la naturaleza (se convierten en protones y electrones), pero se pueden conseguir de átomos de berilio bombardeándolos con partículas alfa procedentes de materiales radioactivos o mediante otros métodos. Como solo son atraídos por los núcleos (mientras que los protones son repelidos antes de que se acerquen lo suficiente para que actúe la atracción nuclear), pueden entrar fácilmente en el núcleo y pegarse a él, algo así como los pequeños imanes se pegan a un trozo de hierro. 

Esta atracción libera energía. Si el núcleo es pesado e inestable, como lo es el uranio, añadirle energía aún lo desestabiliza más, por lo que se rompe inmediatamente. Lo más interesante es la forma espectacular como se rompe, como lo descubrieron Hahn y Meitner en 1939. En vez de romper solo un pequeño trozo, el núcleo completo se divide en 2 fragmentos equiparables, conteniendo 1/3 y 2/3 de la masa. 

A este proceso se le llama fisión nuclear y además de la velocidad a la que tiene lugar, tiene por lo menos otros rasgos destacables: 

  1. Libera mucha más energía que la liberación de un núcleo de helio ("radioactividad alfa"). 
  2. Los fragmentos también son inestables. Si rompemos un núcleo que tenga, digamos, 40 protones por cada 60 neutrones, en fragmentos cuya relación óptima se solo, digamos, de 45 a 55, necesitan ajustarse.
Normalmente, este reajuste se realiza convirtiéndose algunos neutrones en protones (más la emisión de electrones, "rayos beta"), un proceso que se conoce como "radioactividad beta". Este reajuste ocurre de hecho, haciendo a esos fragmentos ferozmente radiactivos y haciendo de su eliminación el asunto más grave de la industria nuclear. 

Pero primero, cuando se rompe el núcleo los fragmentos son muy inestables para un proceso gradual. Se necesita un reajuste rápido y los fragmentos lo consiguen emitiendo uno y a veces más neutrones libres.

La Reacción en Cadena

Como media, se liberan dos neutrones por cada fenómeno de fisión. Pero se necesita solo un neutrón para iniciar otra fisión. De tal forma que si los núcleos fisionables están empaquetados en alta densidad cada neutrón produce una nueva fisión, la cantidad de fisiones se multiplica rápido: 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128... Como la energía liberada es proporcional a la relación de la fisión, también crece rápidamente.

Esta reacción nuclear es la que ocurre en una bomba nuclear (o atómica). El material con núcleos propensos a la fisión; normalmente plutonio, un elemento pesado artificial con 94 protones, debe de comprimirse fuertemente y, en el momento adecuado, exponerlo al estallido de neutrones. Multitud de artificios, todos altamente secretos, se usan para asegurar que, por lo menos, una cantidad apreciable de sus átomos experimente la fisión antes de que la cosa al completo reviente. 

La energía nuclear comercial está producida de forma diferente, de una manera más controlada. El combustible es el uranio 235 (U-235), un isótopo con 92 protones y solo 143 neutrones, no 146, un número impar que lo hace más inestable. El uranio natural consiste en su mayoría de U-238 y puede absorber un neutrón sin experimentar la fisión (se vuelve plutonio). U-238 por consiguiente no soporta una reacción en cadena. Sin embargo, el 0.7% de uranio es el U-235, que experimenta la fisión tan pronto absorbe un neutrón.

         
        Usando un diseño ingenioso, se puede construir un reactor alimentado por uranio natural. El artificio es construir el combustible en forma de barras y ponerlo en medio de un material llamado moderador, que ralentiza los neutrones pero no los absorbe, p.e. carbón puro o "agua pesada" que contiene el isótopo pesado del hidrógeno. Los neutrones producidos en la barra escapan al moderador y cuando golpean otra barra se están moviendo muy lento: estos neutrones lentos son absorbidos más ávidamente por el U-235 que por el U-238, por lo que aún en una barra que solo contenga el 0.7% de U-235, los átomos de U-235 hacen la mayoría de las capturas.

        La Masa Crítica

Tendría que añadirse que muchos neutrones también se pierden, escapan de los lados del reactor al material de alrededor o son absorbidos por los núcleos "equivocados", los que no sufren fisión. De hecho, un reactor necesita ser diseñado cuidadosamente para mantener, en primer lugar, una reacción en cadena: pero lo pueden hacer. 

Desde el comienzo, se idearon métodos complejos y muy caros para separar el U-235 o para enriquecer su porcentaje más del 0.7%. Hoy en día todos los reactores nucleares comerciales usan combustible enriquecido, que hace más fácil el diseño de los reactores y más controlables. Con el combustible enriquecido, puede usarse agua normal como moderador y también es factible combinar el moderador y el combustible, disolviendo algo del compuesto de uranio en el agua, que así actúa como moderadora y como distribuidora del calor.

Un reactor, o un trozo de uranio, no soportará una reacción en cadena si es muy pequeño. Si la cantidad de material fisionable es menor de una masa crítica, la fisión media tiene lugar muy cerca de su superficie. Aunque, digamos, se produzcan 2 neutrones en cada fisión, como media 1.2 de ellos escapan hacia el exterior antes de tropezarse con otro núcleo, dejando solo 0.8 neutrones para continuar el proceso, en tanto que se necesitan uno o más.

Cuando se procesa combustible nuclear o se reprocesan barras de combustible, es esencial trabajar solo con pequeñas cantidades para prevenir cualquier accidente de reacción en cadena. El 30 Septiembre de 1999, en la planta de procesado nuclear de Tokaimura, en Japón, los trabajadores pensaron que ahorraban tiempo combinando varios procesos en una solución de uranio. Con el flash de una lámpara azul, comenzó una reacción en cadena, confiriendo a tres trabajadores muy grandes dosis de radiación y que duro 18 horas. Un trabajador murió a los tres meses (a pesar de las medidas extremadas), uno fue dado de alta del hospital y otro aún seguía el 12/99 en cuidados intensivos. 

Apareció en "Physics Today" p. 52-4 de Diciembre de 1999 un informe detallado sobre el accidente ("What Happened in Tokaimura?"). Ocurrió un accidente similar en los EE.UU. en los años 1950s, cuando un trabajador que extraía plutonio de una solución para otra, tomó un atajo y combinó varias fases. Murió a los dos días por exposición a la radiación. 

    [Una nota histórica: El primer reactor nuclear fue diseñado por Enrico Fermi, bajo las gradas de un viejo estadio en la Universidad de Chicago. En vez de barras usó pastillas cilíndricas de uranio, que estaba embebido en una gran "pila" de ladrillos de carbón puro, que era el moderador. Consiguió una reacción en cadena el 2 de Diciembre de 1942 y el nombre de "pila atómica" continuó usándose durante una década.]

El Reactor Nuclear Controlado 

Debido a que un reactor nuclear necesita neutrones que hayan sido desacelerados, tiene un retraso propio y no puede explotar como una bomba nuclear (aunque los filmes de terror afirmen lo contrario). A pesar de todo, la reacción en cadena puede aumentar rápidamente y si no se controla, el reactor podría, en principio, calentarse hasta su fundido. El método normal de control es insertar entre el combustible "barras de control" que absorben fuertemente los neutrones, p.e. el cadmio, usado también en el galvanizado. Absorbiendo los neutrones libres, estas barras desaceleran o paran la reacción en cadena.

Afortunadamente, aquí la naturaleza ha sido útil. Aproximadamente el 1% de los neutrones liberados en la fisión no se emiten inmediatamente, sino que se demoran una fracción de segundo. Los reactores siempre están operando para producir los neutrones casi justos para mantener la reacción en cadena. Si por cualquier razón el calor comienza a elevarse, los neutrones retrasados desaceleran la razón de incremento y un mecanismo automático, subiendo o bajando las barras de control, es lo suficiente rápido como para pararlos.

     
    Los reactores nucleares en los EE.UU. usan agua común como moderador, dentro de un "recipiente presurizado" fabricado con grueso acero, con elementos de combustible como barras y barras de control colocadas en aberturas en su tapa. Para comenzar la reacción en cadena:
     
    • Se retiran en parte las barras de control, 
    • los fragmentos rápidos calientan los elementos de combustible, 
    • los elementos de combustible calientan el agua, se produce vapor (normalmente, vapor "limpio" en tubos separados del agua radioactiva del reactor), el vapor hace girar las turbinas, y 
    • los generadores movidos por las turbinas producen electricidad.
    Este es el proceso básico, los detalles son muchos y mucho más complicados. 

    ¿Es esta la energía del futuro? Al escribir esto (1999) Francia obtiene el 75% de su energía de la nuclear y muchos países industriales, faltos de carbón y petróleo, también obtienen una cantidad apreciable de su energía de esta forma, p.e. 1/3 de la energía usada en Japón y España. En los EE.UU., después de un comienzo lleno de entusiasmo, el uso de la energía nuclear ha bajado hasta un 20% de la potencia generada, mayoritariamente debido a la oposición social a la energía nuclear. 

Los EE.UU. no obstante, son afortunados por tener grandes reservas de carbón: su creciente consumo de energía se consigue en su mayor parte mediante ese combustible. Ambientalmente, la elección es entre dos alternativas:
  • Quemar carbón y gas natural, que produce dióxido de carbono (CO2) y otros contaminantes y puede amplificar el "efecto invernadero" y acelerar el calentamiento global; o sino 
  • Usar centrales nucleares, con la producción asociada de residuos nucleares. 
No es fácil escoger, y si rechazamos ambas opciones, podemos prever muchos mayores costes energéticos y mucha menos potencia disponible. 

Residuo Nuclear

El problema de la fisión es que los "fragmentos de la fisión", procedentes de la rotura del uranio y del plutonio son muy "calientes", extremadamente radiactivos. Esto crea dos problemas serios: 
  1.   El problema del almacenamiento de los residuos, debido a la larga vida de esas sustancias, el tiempo que persiste su radiactividad. 

  2.    Los residuos nucleares contienen una gran variedad de sustancias. Algunas tienen vidas medias cortas: sus radioactividad es intensa, pero se "queman" en unas horas, días o meses (su riesgo es diferente, vea más abajo). Sin embargo, algunas sustancias permanecen "calientes" (radioactivas) durante décadas o centurias y su radioactividad continúa siendo tan intensa que se necesita mantener fuera del alcance humano durante miles de años, quizás varios miles. Inicialmente también necesitan enfriarse, debido a que su radioactividad genera calor.
       Se ha propuesto fundir los residuos nucleares dentro de recipientes vítreos y aislarlos en cavernas bajo tierra, pero los temores continúan, ya que en el pasado nunca se ha necesitado tan largo internamiento infalible (los productos químicos tóxicos también hacen eso, si son enterrados en vez de destruidos). Afortunadamente, la cantidad de residuos nucleares es relativamente pequeña. Como los productos residuos del combustible nuclear tienen el mismo peso que el propio combustible, con unas pocas toneladas se puede suministrar electricidad durante años.
       Aún así, deben de manejarse por control remoto y no debe existir posibilidad de contaminar las aguas subterráneas.
     
  3.   La posibilidad de fundido del reactor. Durante la operación normal de una planta nuclear, las barras de combustible acumulan una cantidad apreciable de fragmentos de la fisión. En un programa de rotación, cada barra se reemplaza por otra nueva y su residuo radiactivo se elimina y almacena; pero siempre, los barras contienen el suficiente residuo para generar una gran cantidad de calor, suficiente, de hecho, coma para fundir la propia barra, si por cualquier razón falla en flujo de vapor (o agua caliente) que elimina su calor.

Accidentes Nucleares 

Supongamos que algo va mal en el mecanismo de enfriamiento. De forma automática las barras de control son bajadas y la reacción en cadena se detiene inmediatamente. Pero el residuo radiactivo dentro del reactor continúa generando calor, por lo que el enfriamiento debe seguir durante horas o días. El 28 de Marzo de 1979, en la central nuclear de Three Mile Island, en las afueras de  Harrisburg, Pennsylvania, una disfunción menor condujo a una serie de errores, parando durante un rato los dos sistemas de enfriamiento, el principal y el de emergencia.

El calor residual del residuo nuclear fundió parte del núcleo del reactor y creó (por reacción química) hidrógeno libre, que complicó posteriormente la situación. El multimillonario reactor sufrió la perdida total, pero el daño peor fue muy  probablemente el que sufrió la confianza pública en la seguridad de la energía nuclear. Aunque el recipiente del reactor no se rajó y la segunda línea de defensa, el "edificio de contención" de hormigón permaneció intacto.

El reactor nuclear de Chernobyl, cerca de Kiev, capital de Ucrania, tenía un diseño diferente, al igual que el reactor original de Fermi, usaba una pila de carbón (grafito) para desacelerar los neutrones, con tubos dentro que sostenían las barras de combustible, barras de control y agua de refrigeración. Era un gran reactor y no estaba encerrado dentro de un edificio de contención. 

El 25 de Abril de 1986, un experimento imprudente de baja potencia condujo a la perdida del control. El nivel de potencia aumentó, el recipiente del reactor explotó y el vapor caliente y el grafito (así como el combustible circonio usado en las barras de combustible) reaccionó con el vapor caliente y con el oxígeno de la atmósfera y produjo un fuego intenso, cuyo penacho se elevó a grandes alturas y esparció basura radiactiva sobre una gran superficie. De los bomberos llamados para extinguir el fuego muchos murieron después por la radiación. Ciudades y pueblos cercanos a Chernobyl tuvieron que ser evacuados (en 1999 continuaban vacíos) y se contaminó la producción agrícola de muchas zonas de Europa. Los restos del reactor fueron encerrados en un sepulcro de hormigón, enterrando los residuos radiactivos en su interior.

Desde estos accidentes, la generación de energía nuclear en los EE.UU. continuó sin grandes incidentes. Sin embargo, los residuos nucleares se continúan manteniendo en almacenamientos temporales, mientras se continúa debatiendo la política nacional sobre su tratamiento. El otro reactor en Three Mile Island (y hasta los otros de Chernobyl) se han puesto en servicio de nuevo para suministrar de nuevo energía. 

Como da a entender el ejemplo de Francia, la energía nuclear puede ser la fuente principal de energía de una nación industrializada, aunque necesita un alto nivel de competencia profesional y sistemas de seguridad cuidadosamente diseñados. Al mismo tiempo, los accidentes de Three Mile Island y Chernobyl son un recordatorio de que este tipo de energía acarrea riesgos únicos por si misma.

Exploración Adicional

Si tiene tiempo y motivación, le pueden suministrar una información más detallada un gran número de fuentes, tanto impresas como en la web. Puede empezar por este sitio web más detallado , comparable en tamaño con la colección completa de "Astrónomos".


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Author and curator: David P. Stern, u5dps@lepvax.gsfc.nasa.gov
Translated by J. Mendez.
Last updated 26 December 1999