Energía nuclear

Núcleo de unreactor nucleardefisiónde formación e investigaciónTRIGA,en Idaho. Puede apreciarse laradiación Cherenkov,el resplandor azul.

Central nuclear de Ikata,con tresreactores de agua a presión.La refrigeración se realiza mediante el intercambio de calor con agua del océano.

Central nuclear de Lemóniz(España) cuya puesta en marcha fue abandonada por la presión popular y varios atentados.

Laenergíanuclear(también,energía atómica) es la que se libera espontánea o artificialmente en lasreacciones nucleares.Sin embargo, este término engloba otro significado que es el aprovechamiento de dicha energía para otros fines, tales como la obtención deenergía eléctrica,térmicaymecánicaa partir de reacciones atómicas.​ De esta manera, 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.

Estas reacciones se dan en losnúcleos atómicosde algunosisótoposde ciertoselementos químicos(radioisótopos), siendo la más conocida lafisióndeluranio-235(²³⁵U), con la que funcionan losreactores nucleares,y la más habitual en la naturaleza, enel interior de las estrellas,lafusióndel pardeuterio-tritio(²H-³H). Sin embargo, para producir este tipo de energía aprovechando reacciones nucleares pueden ser utilizados muchos otros isótopos de varios elementos químicos, como eltorio-232,elplutonio-239,elestroncio-90o elpolonio-210(²³²Th,²³⁹Pu,⁹⁰Sr,²¹⁰Po; respectivamente).

Existen varias disciplinas y/o técnicas que usan de base la energía atómica y van desde lageneración de energía eléctricaen lascentrales nucleareshasta las técnicas de análisis de datación arqueológica (arqueometríanuclear), lamedicina nuclearusada en los hospitales, etc.

Los 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 atómica puede transformarse de forma descontrolada, dando lugar alarmamento nuclear;o controlada en reactores nucleares en los que se produce energía eléctrica, mecánica o térmica. Tanto los materiales usados como el diseño de las instalaciones son completamente diferentes en cada caso.

Otra técnica, empleada principalmente en pilas de mucha duración para sistemas que requieren poco consumo eléctrico, es la utilización degeneradores termoeléctricos de radioisótopos(GTR, o RTG eninglés), en los que se aprovechan los distintos modos dedesintegraciónpara generar electricidad en sistemas determoparesa partir del calor transferido por unafuenteradiactiva.

La energía desprendida en esos procesos nucleares suele aparecer en forma departículas subatómicasen movimiento. Esas partículas, al frenarse en la materia que las rodea, producen energía térmica. Esta energía térmica se transforma enenergía mecánicautilizandomotores de combustión externa,como lasturbinas de vapor.Dicha energía mecánica puede ser empleada en eltransporte,como por ejemplo en losbuques nucleares.

La principal característica de este tipo de energía es la alta calidad de la energía que puede producirse porunidad de masade material utilizado en comparación con cualquier otro tipo de energía conocida por el ser humano, pero sorprende la pocaeficienciadel proceso, ya que se desaprovecha entre un 86 % y 92 % de la energía que se libera.​

En las reacciones nucleares se suele liberar una grandísima cantidad de energía debido en parte a que la masa de partículas involucradas en este proceso se transforma directamente en energía. Lo anterior se suele explicar basándose en larelación masa-energíapropuesta por el físicoAlbert Einstein.

Historia

Las reacciones nucleares

Henri Becquerel

En 1896Henri Becquereldescubrió que algunoselementos químicosemitíanradiaciones.​ Tanto él comoMarie Curiey otros estudiaron sus propiedades, descubriendo que estas radiaciones eran diferentes de los ya conocidosrayos Xy que poseían propiedades distintas, denominando a los tres tipos que consiguieron descubrir:alfa,betaygamma.

Pronto se vio que todas ellas provenían delnúcleo atómicoque describióErnest Rutherforden 1911.

Con el descubrimiento delneutrino,partícula descrita teóricamente en 1930 porWolfgang Paulipero no detectada hasta 1956 porClyde Cowany sus colaboradores, se pudo explicar la radiación beta.

En 1932James Chadwickdescubrió la existencia delneutrónque Pauli había predicho en 1930, e inmediatamente despuésEnrico Fermidescubrió que ciertas radiaciones emitidas en fenómenos no muy comunes de desintegración eran en realidad estos neutrones.

Durante los años 1930, Enrico Fermi y sus colaboradores bombardearon con neutrones más de 60 elementos, entre ellos²³⁵Uranio, produciendo las primeras fisiones nucleares artificiales. En 1938, enAlemania,Lise Meitner,Otto HahnyFritz Strassmannverificaron los experimentos de Fermi y en 1939 demostraron que parte de los productos que aparecían al llevar a cabo estos experimentos con uranio eran núcleos debario.Muy pronto llegaron a la conclusión de que eran resultado de la división de los núcleos del uranio. Se había llevado a cabo el descubrimiento de lafisión.

EnFrancia,Joliot Curiedescubrió que además del bario, se emitían neutrones secundarios en esa reacción, haciendo factible la reacción en cadena.

También en 1932Mark Oliphantteorizó sobre lafusiónde núcleos ligeros (dehidrógeno), describiendo poco despuésHans Betheel funcionamiento de lasestrellas,basándose en este mecanismo.

Véanse también:Radiactividad,Fuerzas nuclearesyProcesos nucleares.

La fisión nuclear

De izda. a dcha.:J. Robert Oppenheimer,Enrico FermiyErnest Lawrence.

En física nuclear, la fisión es una reacción nuclear, lo que significa que tiene lugar en el núcleo atómico. La fisión ocurre cuando un núcleo pesado se divide en dos o más núcleos pequeños, además de algunos subproductos como neutrones libres, fotones (generalmente rayos gamma) y otros fragmentos del núcleo como partículas alfa (núcleos de helio) y beta (electrones y positrones de alta energía).

Durante laSegunda Guerra Mundial,el Departamento de Desarrollo de Armamento de la Alemania nazi desarrolló un proyecto de energía nuclear (Proyecto Uranio) con vistas a la producción de un artefacto explosivo nuclear.Albert Einstein,en 1939, firmó una carta al presidente estadounidenseFranklin Delano Roosevelt,escrita porLeó Szilárd,en la que se prevenía sobre este hecho.​

El 2 de diciembre de 1942, como parte delproyecto Manhattandirigido porJ. Robert Oppenheimer,se construyó el primerreactordel mundo hecho por el ser humano (existió un reactor natural enOklo): elChicago Pile-1(CP-1).

Como parte del mismo programa militar, se construyó un reactor mucho mayor enHanford,destinado a la producción deplutonio,y al mismo tiempo, un proyecto de enriquecimiento de uranio en cascada. El 16 de julio de 1945 fue probada la primera bomba nuclear (nombre en claveTrinity) en el desierto deAlamogordo.En esta prueba se llevó a cabo una explosión equivalente a 19 000 000kgdeTNT(19kilotones), una potencia jamás observada anteriormente en ningún otroexplosivo.Ambos proyectos desarrollados finalizaron con la construcción de dos bombas, una de uranio enriquecido y una de plutonio (Little BoyyFat Man) que fueron lanzadas sobre las ciudades japonesas deHiroshima(6 de agosto de 1945) yNagasaki(9 de agosto de 1945) respectivamente. El 15 de agosto de 1945 acabó la Segunda Guerra Mundial en el Pacífico con la rendición de Japón. Por su parte el programa de armamento nuclear alemán (encabezado este porWerner Heisenberg), no alcanzó su meta antes de la rendición deAlemaniael 8 de mayo de 1945.

Posteriormente se llevaron a cabo programas nucleares en laUnión Soviética(primera prueba de una bomba de fisión el 29 de agosto de 1949),FranciayGran Bretaña,comenzando la carrera armamentística en ambos bloques creados tras la guerra, alcanzando límites de potencia destructiva nunca antes sospechada por el ser humano (cada bando podía derrotar y destruir varias veces a todos sus enemigos).

Ya en la década de 1940, el almiranteHyman Rickoverpropuso la construcción de reactores de fisión no encaminados esta vez a la fabricación de material parabombas,sino a la generación de electricidad. Se pensó, acertadamente, que estos reactores podrían constituir un gran sustituto deldiéselen los submarinos. El primer reactor nuclear para producir energía eléctrica entró en funcionamiento el 26 de junio de 1954 en la localidad deÓbninsken la AntiguaUnión Soviética​, tenía una capacidad de 5000 kV.

EnEstados Unidosse construyó el primer reactor de prueba para producir energía (en el contexto militar) en 1953. Bajo la dirección del el almiranteHyman Rickoverse desarrollarn reactores para suministrar energía a los submarinos. La botadura del primer submarino nuclear (elUSS Nautilus(SSN-571)) se realizó el 17 de enero de 1955 a las 11:00 horas. El Departamento de Defensa estadounidense propuso el diseño y construcción de un reactor nuclear utilizable para la generación eléctrica y propulsión en los submarinos a dos empresas distintas norteamericanas:General ElectricyWestinghouse.Estas empresas desarrollaron los reactores de agua ligera tipoBWRyPWRrespectivamente.

Estos reactores se han utilizado para lapropulsiónde buques, tanto de uso militar (submarinos, cruceros, portaaviones,...) como civil (rompehielos ycargueros), donde presentan unas características de potencia, reducción del tamaño de los motores, reducción de las necesidades de almacenamiento de combustible y autonomía no superadas por ninguna otra técnica existente.

Los mismos diseños de reactores de fisión se trasladaron a diseños comerciales para la generación de electricidad. Los únicos cambios producidos en el diseño con el transcurso del tiempo fueron un aumento de las medidas de seguridad, una mayor eficiencia termodinámica, un aumento de potencia y el uso de las nuevas tecnologías que fueron apareciendo.

Entre 1950 y 1960Canadádesarrolló un nuevo tipo, basado en el PWR, que utilizabaagua pesadacomomoderadoryuranio naturalcomo combustible, en lugar deluranio enriquecidoutilizado por los diseños de agua ligera. Otros diseños de reactores para su uso comercial utilizaron carbono (Magnox,AGR,RBMKoPBRentre otros) osales fundidas(litio o berilio entre otros) como moderador. Este último tipo de reactor fue parte del diseño del primer avión bombardero (1954) con propulsión nuclear (el US Aircraft Reactor Experiment o ARE). Este diseño se abandonó tras el desarrollo de losmisiles balísticos intercontinentales(ICBM).

Otros países (Francia,Italia,entre otros) desarrollaron sus propios diseños de reactores nucleares comerciales para la generación de energía eléctrica.

En 1946 se construyó el primerreactor de neutrones rápidos(Clementine) en Los Álamos, con plutonio como combustible ymercuriocomo refrigerante. En 1951 se construyó elEBR-I,el primer reactor rápido con el que se consiguió generar electricidad. En 1996, elSuperfénixo SPX, fue el reactor rápido de mayor potencia construido hasta el momento (1200 MWe). En este tipo de reactores se pueden utilizar como combustible los radioisótopos del plutonio, eltorioy el uranio que no son fisibles conneutrones térmicos(lentos).

En la década de los 50Ernest Lawrencepropuso la posibilidad de utilizar reactores nucleares con geometrías inferiores a la criticidad (reactores subcríticoscuyo combustible podría ser el torio), en los que la reacción sería soportada por un aporte externo de neutrones. En 1993Carlo Rubbiapropone utilizar una instalación deespalaciónen la que unaceleradordeprotonesprodujera los neutrones necesarios para mantener la instalación. A este tipo de sistemas se les conoce comoSistemas asistidos por aceleradores(en inglésAccelerator driven systems,ADSsus siglas en inglés), y se prevé que la primera planta de este tipo (MYRRHA) comience su funcionamiento el 2033 en el centro deMol(Bélgica).​​

La fusión nuclear

En física nuclear, la 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 nuclear 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. Hasta el principio del sigloXXno se entendía la forma en que se generaba energía en el interior de las estrellas necesaria para contrarrestar el colapso gravitatorio de estas. No existía reacción química con la potencia suficiente y la fisión tampoco era capaz. En 1938Hans Bethelogró explicarlo mediante reacciones de fusión, con elciclo CNO,para estrellas muy pesadas. Posteriormente se descubrió elciclo protón-protónpara estrellas de menor masa, como elSol.

En los años 1940, como parte delproyecto Manhattan,se estudió la posibilidad del uso de lafusiónen la bomba nuclear. En 1942 se investigó la posibilidad del uso de una reacción de fisión como método de ignición para la principal reacción de fusión, sabiendo que podría resultar en una potencia miles de veces superior. Sin embargo, tras finalizar laSegunda Guerra Mundial,el desarrollo de una bomba de estas características no fue considerado primordial hasta la explosión de la primerabomba atómicarusa en 1949,RDS-1oJoe-1.Este evento provocó que en 1950 el presidente estadounidenseHarry S. Trumananunciara el comienzo de un proyecto que desarrollara la bomba de hidrógeno. El 1 de noviembre de 1952 se probó laprimera bomba nuclear(nombre en claveMike,parte de laOperación Ivyo Hiedra), con una potencia equivalente a 10 400 000 000 dekgde TNT (10,4megatones). El 12 de agosto de 1953 laUnión Soviéticarealiza su primera prueba con un artefacto termonuclear (su potencia alcanzó algunos centenares de kilotones).

Las condiciones necesarias para alcanzar la ignición de un reactor de fusión controlado, sin embargo, no fueron derivadas hasta 1955 porJohn D. Lawson.​ Loscriterios de Lawsondefinieron las condiciones mínimas necesarias detiempo,densidadytemperaturaque debía alcanzar el combustible nuclear (núcleos de hidrógeno) para que la reacción de fusión se mantuviera. Sin embargo, ya en 1946 se patentó el primer diseño de reactor termonuclear.​ En 1951 comenzó el programa de fusión de Estados Unidos, sobre la base delstellarator.En el mismo año comenzó en la Unión Soviética el desarrollo del primerTokamak,dando lugar a sus primeros experimentos en 1956. Este último diseño logró en 1968 la primera reacción termonuclear cuasi-estacionaria jamás conseguida, demostrándose que era el diseño más eficiente conseguido hasta la época.ITER,el diseño internacional que tiene fecha de comienzo de sus operaciones en el año 2016 y que intentará resolver los problemas existentes para conseguir un reactor de fusión de confinamiento magnético, utiliza este diseño.

Cápsula de combustible preparada para el reactor de fusión deconfinamiento inercialNIF,rellena dedeuterioytritio.

En 1962 se propuso otra técnica para alcanzar la fusión basada en el uso deláserespara conseguir una implosión en pequeñas cápsulas llenas de combustible nuclear (de nuevo núcleos de hidrógeno). Sin embargo hasta la década de los 70 no se desarrollaron láseres suficientemente potentes. Sus inconvenientes prácticos hicieron de esta una opción secundaria para alcanzar el objetivo de un reactor de fusión. Sin embargo, debido a los tratados internacionales que prohibían la realización de ensayos nucleares en la atmósfera, esta opción (básicamente microexplosiones termonucleares) se convirtió en un excelente laboratorio de ensayos para los militares, con lo que consiguió financiación para su continuación. Así, se han construido elNational Ignition Facility(NIF, con inicio de sus pruebas programadas para 2010) estadounidense y elLáser Mégajoulefrancés (LMJ), que persiguen el mismo objetivo de conseguir un dispositivo que consiga mantener la reacción de fusión a partir de este diseño. Ninguno de los proyectos de investigación actualmente en marcha predicen una ganancia de energía significativa, por lo que está previsto un proyecto posterior que pudiera dar lugar a los primeros reactores de fusión comerciales (DEMOconconfinamiento magnéticoeHiPERconconfinamiento inercial).

Otros sistemas de energía nuclear

Con la invención de lapila químicaporVoltaen 1800 se dio lugar a una forma compacta y portátil de generación de energía. A partir de entonces fue incesante la búsqueda de sistemas que fueran aún menores y que tuvieran una mayor capacidad y duración. Este tipo de pilas, con pocas variaciones, han sido suficientes para muchas aplicaciones diarias hasta nuestros tiempos. Sin embargo, en el sigloXXsurgieron nuevas necesidades, a causa principalmente de los programas espaciales. Se precisaban entonces sistemas que tuvieran una duración elevada para consumos eléctricos moderados y un mantenimiento nulo. Surgieron varias soluciones (como lospaneles solareso lascélulas de combustible), pero según se incrementaban las necesidades energéticas y aparecían nuevos problemas (las placas solares son inútiles en ausencia de luz solar), se comenzó a estudiar la posibilidad de utilizar laenergíanuclear en estos programas.

A mediados de los años 1950 comenzaron enEstados Unidoslas primeras investigaciones encaminadas a estudiar las aplicaciones nucleares en el espacio. De estas surgieron los primeros prototipos de losgeneradores termoeléctricos de radioisótopos(RTG por sus siglas en inglés). Estos dispositivos mostraron ser una alternativa sumamente interesante tanto en las aplicaciones espaciales como en aplicaciones terrestres específicas. En estos artefactos se aprovechan las desintegracionesalfaybeta,convirtiendo toda o gran parte de la energía cinética de las partículas emitidas por el núcleo en calor. Este calor es después transformado enelectricidadaprovechando elefecto Seebeckmediante unos termopares, consiguiendo eficiencias aceptables (entre un 5 y un 40 % es lo habitual). Los radioisótopos habitualmente utilizados son²¹⁰Po,²⁴⁴Cm,²³⁸Pu,²⁴¹Am,entre otros 30 que se consideraron útiles. Estos dispositivos consiguen capacidades dealmacenamiento de energía4 órdenes de magnitud superiores (10 000 veces mayor) a las baterías convencionales.

En 1959 se mostró al público el primergenerador atómico.​ En 1961 se lanzó al espacio el primer RTG, a bordo delSNAP 3.Esta batería nuclear, que alimentaba a un satélite de la armada norteamericana con una potencia de 2,7W,mantuvo su funcionamiento ininterrumpido durante 15 años.

RTG delNew Horizons(en el centro abajo, en negro), misión no tripulada aPlutón.La sonda fue lanzada en enero de 2006 y alcanzó su objetivo el 14 de julio de 2015.

Estos sistemas se han utilizado y se siguen usando en programas espaciales muy conocidos (Pioneer,Voyager,Galileo,ApoloyUlisesentre otros). Así por ejemplo en 1972 y 1973 se lanzaron los Pioneer 10 y 11, convirtiéndose el primero de ellos en el primer objeto humano de la historia que abandonaba elsistema solar.Ambos satélites continuaron funcionando hasta 17 años después de sus lanzamientos.

La misión Ulises (misión conjuntaESA-NASA) se envió en 1990 para estudiar elSol,siendo la primera vez que un satélite cruzaba ambos polos solares. Para poder hacerlo hubo que enviar el satélite en una órbita alrededor deJúpiter.Debido a la duración del RTG que mantiene su funcionamiento se prolongó la misión de modo que se pudiera volver a realizar otro viaje alrededor del Sol. Aunque pareciera extraño que este satélite no usara paneles solares en lugar de un RTG, puede entenderse al comparar sus pesos (un panel de 544kggeneraba la misma potencia que un RTG de 56). En aquellos años no existía un cohete que pudiera enviar a su órbita al satélite con ese peso extra.

Estas baterías no solo proporcionan electricidad, sino que en algunos casos, el propio calor generado se utiliza para evitar la congelación de los satélites en viajes en los que el calor delSolno es suficiente, por ejemplo en viajes fuera del sistema solar o en misiones a los polos de laLuna.

En 1965 se instaló el primer RTG terrestre para el faro de la isla deshabitadaFairway Rock,permaneciendo en funcionamiento hasta 1995, momento en el que se desmanteló. Otros muchos faros situados en zonas inaccesibles cercanas a los polos (sobre todo en la Unión Soviética), utilizaron estos sistemas. Se sabe que la Unión Soviética fabricó más de 1000 unidades para estos usos.

Una aplicación que se dio a estos sistemas fue su uso comomarcapasos.​ Hasta los 70 se usaba para estas aplicaciones baterías demercurio-zinc,que tenían una duración de unos 3 años. En esta década se introdujeron las baterías nucleares para aumentar la longevidad de estos artefactos, posibilitando que un paciente joven tuviera implantado solo uno de estos artefactos para toda su vida. En los años 1960, la empresaMedtroniccontactó conAlcatelpara diseñar una batería nuclear, implantando el primer marcapasos alimentado con un RTG en un paciente en 1970 enParís.Varios fabricantes construyeron sus propios diseños, pero a mediados de esta década fueron desplazados por las nuevas baterías delitio,que poseían vidas de unos 10 años (considerado suficiente por los médicos aunque debiera sustituirse varias veces hasta la muerte del paciente). A mediados de los años 1980 se detuvo el uso de estos implantes, aunque aún existen personas que siguen portando este tipo de dispositivos.

Fundamentos físicos

Representación delperiodo de semidesintegraciónde losnúcleosconocidos. En el eje de abscisas se representa el número de protones (Z) mientras que en el eje de ordenadas el número de neutrones (N). Losisótoposmarcados en rojo son aquellos que pueden considerarse estables.

SirJames Chadwickdescubrió elneutrónen 1932, año que puede considerarse como el inicio de la física nuclear moderna.​

El modelo deátomopropuesto porNiels Bohrconsiste en unnúcleocentral compuesto por partículas que concentran la mayoría de la masa del átomo (neutrones yprotones), rodeado por varias capas de partículas cargadas casi sin masa (electrones). Mientras que el tamaño del átomo resulta ser del orden delangstrom(10^-10m), el núcleo puede medirse enfermis(10^-15m), o sea, el núcleo es 100 000 veces menor que el átomo.

Todos los átomosneutros(sin carga eléctrica) poseen el mismo número de electrones que de protones. Un elemento químico se puede identificar de forma inequívoca por el número de protones que posee su núcleo; este número se llamanúmero atómico(Z). El número de neutrones (N) sin embargo puede variar para un mismo elemento. Para valores bajos de Z ese número tiende a ser muy parecido al de protones, pero al aumentar Z se necesitan más neutrones para mantener la estabilidad del núcleo. A los átomos a los que solo les distingue el número de neutrones en su núcleo (en definitiva, su masa), se les llamaisótoposde un mismo elemento. Lamasa atómicade un isótopo viene dada por$A=Z+N$u,el número de protones más el de neutrones (nucleones) que posee en su núcleo.

Para denominar un isótopo suele utilizarse la letra que indica el elemento químico, con un superíndice que es la masa atómica y un subíndice que es el número atómico (p. ej. el isótopo 238 deluraniose escribiría como$_{92}^{238}\!U$).

El núcleo

Losneutronesyprotonesque forman los núcleos tienen una masa aproximada de 1u,estando el protón cargado eléctricamente con carga positiva +1, mientras que el neutrón no poseecarga eléctrica.Teniendo en cuenta únicamente la existencia de las fuerzaselectromagnéticaygravitatoria,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: lafuerza fuerte(hoy en díafuerza 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 unnucleón), que era central en cierto rango de distancias, que dependía delespíny que no dependía del tipo denucleón(neutrones o protones) sobre el que actuaba. En 1935,Hideki Yukawadio una primera solución a esta nueva fuerza estableciendo lahipótesisde la existencia de una nueva partícula: elmesón.El más ligero de los mesones, elpion,es el responsable de la mayor parte delpotencialentre nucleones de largo alcance (1 rfm). Elpotencial de Yukawa(potencial OPEP) que describe adecuadamente la interacción para dos partículas de espines$s_{1}$y$s_{2}$respectivamente, se puede escribir como:

$V(r)={\frac {g_{\pi }^{2}(m_{\pi }c^{2})^{3}}{3(Mc^{2})^{2}{\hbar }^{2}}}\left[s_{1}s_{2}+S_{12}1+{\frac {3R}{r}}+{\frac {3R^{2}}{r^{2}}}\right]{\frac {e^{-{\frac {r}{R}}}}{\frac {r}{R}}}$

Otros experimentos que se realizaron sobre los núcleos indicaron que su forma debía de ser aproximadamente esférica de radio$R=1,5\cdot A^{1/3}$fm,siendoAla masa atómica, es decir, la suma de neutrones y protones. Esto exige además que la densidad de los núcleos sea la misma ($V\alpha R^{3}\alpha A$,es decir el volumen es proporcional a A. Como la densidad se halla dividiendo la masa por el volumen$\rho ={\frac {A}{V}}=cte$). Esta característica llevó a la equiparación de los núcleos con un líquido, y por tanto almodelo de la gota líquida,fundamental en la comprensión de lafisiónde los núcleos.

Energía de ligaduramedia por nucleón de los distintos elementos atómicos en función de su masa atómica.

La masa de un núcleo, sin embargo, no resulta exactamente de la suma de sus nucleones. Tal y como demostróAlbert Einstein,la energía que mantiene unidos a esos nucleones es la diferencia entre la masa del núcleo y la de sus elementos, y viene dada por la ecuación$E=m\cdot c^{2}$.Así,pesandolos distintos átomos por una parte, y sus componentes por otra, puede determinarse la energía media por nucleón que mantiene unidos a los diferentes núcleos.

En la gráfica puede contemplarse como los núcleos muy ligeros poseen menos energía de ligadura que los que son un poco más pesados (la parte izquierda de la gráfica). Esta característica es la base de la liberación de la energía en la fusión. Y, al contrario, en la parte de la derecha se ve que los elementos muy pesados tienen menorenergía de ligaduraque los que son algo más ligeros. Esta es la base de la emisión de energía por fisión. Como se ve, es mucho mayor la diferencia en la parte de la izquierda (fusión) que en la de la derecha (fisión).

Fisión

Distribución típica de las masas de los productos de fisión. La gráfica representa el caso del uranio 235.

Fermi, tras el descubrimiento del neutrón, realizó una serie de experimentos en los que bombardeaba distintos núcleos con estas nuevas partículas. En estos experimentos observó que cuando utilizaba neutrones deenergíasbajas, en ocasiones el neutrón era absorbido emitiéndosefotones.

Para averiguar el comportamiento de esta reacción repitió el experimento sistemáticamente en todos los elementos de latabla periódica.Así descubrió nuevos elementos radiactivos, pero al llegar aluranioobtuvo resultados distintos.Lise Meitner,Otto HahnyFritz Strassmannconsiguieron explicar el nuevo fenómeno al suponer que el núcleo de uranio al capturar el neutrón se escindía en dos partes de masas aproximadamente iguales. De hecho detectaronbario,de masa aproximadamente la mitad que la del uranio. Posteriormente se averiguó que esa escisión (o fisión) no se daba en todos los isótopos del uranio, sino solo en el²³⁵U. Y más tarde aún, se supo que esa escisión podía dar lugar a muchísimos elementos distintos, cuyadistribuciónde aparición es muy típica (similar a la doble joroba de un camello).

Esquema del fenómeno de la fisión del²³⁵U. Un neutrón de baja velocidad (térmico) impacta en un núcleo de uranio desestabilizándolo. Este se divide en dos partes y además emite una media de 2.5 neutrones por fisión.

En la fisión de un núcleo de uranio, no solo aparecen dos núcleos más ligeros resultado de la división del de uranio, sino que además se emiten 2 o 3 (en promedio 2,5 en el caso del²³⁵U) neutrones a una alta velocidad (energía). Como el uranio es un núcleo pesado no se cumple la relación N=Z (igual número de protones que de neutrones) que sí se cumple para los elementos más ligeros, por lo que los productos de la fisión poseen un exceso de neutrones. Este exceso de neutrones hace inestables (radiactivos) a esos productos de fisión, que alcanzan la estabilidad al desintegrarse los neutrones excedentes pordesintegración betageneralmente. La fisión del²³⁵U puede producirse en más de 40 formas diferentes, originándose por tanto más de 80 productos de fisión distintos, que a su vez se desintegran formandocadenas de desintegración,por lo que finalmente aparecen cerca de 200 elementos a partir de la fisión del uranio.

La energía desprendida en la fisión de cada núcleo de²³⁵U es en promedio de 200MeV.Los minerales explotados para la extracción del uranio suelen poseer contenidos de alrededor de 1 gramo de uranio por kg de mineral (lapechblendapor ejemplo). Como el contenido de²³⁵U en el uranio natural es de un 0,7 %, se obtiene que por cada kg de mineral extraído tendríamos$1,8\cdot 10^{19}$átomos de²³⁵U. Si fisionamos todos esos átomos (1 gramo de uranio) obtendríamos teóricamente una energía liberada de$3,6\cdot 10^{27}eV=5,8\cdot 10^{8}J$por gramo. En comparación, por la combustión de 1 kg de carbón de la mejor calidad (antracita) se obtiene una energía de unos$4\cdot 10^{7}J$,es decir, se necesitan más de 10toneladasdeantracita(el tipo de carbón con mayorpoder calorífico) para obtener la misma energía contenida en 1 kg de uranio natural.

La aparición de los 2,5 neutrones por cada fisión posibilita la idea de llevar a cabo unareacción en cadena,si se logra hacer que de esos 2,5 al menos un neutrón consiga fisionar un nuevo núcleo de uranio. La idea de la reacción en cadena es común en otros procesos químicos. Los neutrones emitidos por la fisión no son útiles inmediatamente si lo que se quiere es controlar la reacción, sino que hay que frenarlos (moderarlos) hasta una velocidad adecuada. Esto se consigue rodeando los átomos por otro elemento con un Z pequeño, como por ejemplohidrógeno,carbonoolitio,material denominadomoderador.

Otros átomos que pueden fisionar con neutrones lentos son el²³³U o el²³⁹Pu.Sin embargo también es posible la fisión conneutrones rápidos(de energías altas), como por ejemplo el²³⁸U (140 veces más abundante que el²³⁵U) o el²³²Th(400 veces más abundante que el²³⁵U).

La teoría elemental de la fisión la proporcionaronBohryWheeler,utilizando un modelo según el cual los núcleos de los átomos se comportan como gotas líquidas.

La fisión se puede conseguir también mediantepartículas alfa,protonesodeuterones.

Fusión

Proceso defusiónentre unnúcleodedeuterioy uno detritio.Es la opción más adecuada para ser llevada a cabo en unreactor nuclearde fusión.

Así como la fisión es un fenómeno que aparece en la corteza terrestre de forma natural (si bien con una frecuencia pequeña), la fusión es absolutamente artificial en nuestro entorno (aunque es común el núcleo de las estrellas). Sin embargo, esta energía posee ventajas con respecto a la fisión. Por un lado el combustible es abundante y fácil de conseguir, y por otro, sus productos son elementos estables, ligeros y no radiactivos.

En la fusión, al contrario que en la fisión donde se dividen los núcleos, la reacción consiste en la unión de dos o más núcleos ligeros. Esta unión da lugar a un núcleo más pesado que los usados inicialmente y a neutrones. La fusión se consiguió antes incluso de comprender completamente las condiciones que se necesitaban en el desarrollo de armas, limitándose a conseguir condiciones extremas de presión y temperatura usando una bomba de fisión como elemento iniciador (Proceso Teller-Ulam). Pero no es hasta que Lawson define unos criterios de tiempo, densidad y temperatura mínimos​ cuando se comienza a comprender el funcionamiento de la fusión.

Aunque en lasestrellasla fusión se da entre una variedad de elementos químicos, el elemento con el que es más sencillo alcanzarla es el hidrógeno. El hidrógeno posee tres isótopos: el hidrógeno común (${}_{1}^{1}\!H$), eldeuterio(${}_{1}^{2}\!H$) y eltritio(${}_{1}^{3}\!H$). Esto es así porque la fusión requiere que se venza la repulsión electrostática que experimentan los núcleos al unirse, por lo que a menor carga eléctrica, menor será esta. Además, a mayor cantidad de neutrones, más pesado será el núcleo resultante (más arriba estaremos en la gráfica de las energías de ligadura), con lo que mayor será la energía liberada en la reacción.

Una reacción particularmente interesante es la fusión dedeuterioytritio:

${}_{1}^{2}\!H+{}_{1}^{3}\!H\rightarrow {}_{2}^{4}\!He+n+17,6MeV$

En esta reacción se liberan 17,6 MeV por fusión, más que en el resto de combinaciones con isótopos de hidrógeno. Además esta reacción proporciona un neutrón muy energético que puede aprovecharse para generar combustible adicional para reacciones posteriores de fusión, utilizando litio, por ejemplo. La energía liberada por gramo con esta reacción es casi mil veces mayor que la lograda en la fisión de un gramo de uranio natural (unas siete veces superior si fuera un gramo de²³⁵U puro).

Para vencer la repulsión electrostática, es necesario que los núcleos a fusionar alcancen una energía cinética de aproximadamente 10keV.Esta energía se obtiene mediante un intenso calentamiento (igual que en las estrellas, donde se alcanzan temperaturas de 10⁸K), que implica un movimiento de los átomos igual de intenso. Además de esa velocidad para vencer la repulsión electrostática, la probabilidad de que se produzca la fusión debe ser elevada para que la reacción suceda. Esto implica que se deben poseer suficientes átomos con energía suficiente durante un tiempo mínimo. El criterio de Lawson define que el producto entre la densidad de núcleos con esa energía por el tiempo durante el que deben permanecer en ese estado debe ser$n\cdot \tau =10^{14}s\cdot nucleos\cdot cm^{-3}$.

Los dos métodos en desarrollo para aprovechar de forma útil (no bélica) la energía desprendida en esta reacción son elconfinamiento magnéticoy elconfinamiento inercial(con fotones que provienen de láser o partículas que provienen deaceleradores).

Desintegración alfa

Representación de la emisión de unapartícula alfapor un núcleo.

Esta reacción es una forma de fisión espontánea, en la que un núcleo pesado emite una partícula alfa (α) con una energía típica de unos 5 MeV. Una partícula α es un núcleo dehelio,constituido por dos protones y dos neutrones. En su emisión el núcleo cambia, por lo que el elemento químico que sufre este tipo de desintegración muta en otro distinto. Una reacción natural típica es la siguiente:

${}^{2}{}_{92}^{38}{\hbox{U}}\;\to \;{}^{2}{}_{90}^{34}{\hbox{Th}}\;+\;\alpha$

En la que un átomo de²³⁸U se transforma en otro de²³⁴Th.

Fue en 1928 cuandoGeorge Gamowdio una explicación teórica a la emisión de estas partículas. Para ello supuso que la partícula alfa convivía en el interior del núcleo con el resto de los nucleones, de una forma casi independiente. Porefecto túnelen algunas ocasiones esas partículas superan el pozo de potencial que crea el núcleo, separándose de él a una velocidad de un 5 % lavelocidad de la luz.

Desintegración beta

Representación de unapartícula betaemitida por un núcleo.

Existen dos modos de desintegración beta. En el tipo β⁻lafuerza débilconvierte unneutrón(n⁰) en unprotón(p⁺) y al mismo tiempo emite un electrón (e⁻) y unantineutrino(${\bar {\nu }}_{e}$):

$n^{0}\rightarrow p^{+}+e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}$.

En el tipo β⁺unprotónse transforma en unneutrónemitiendo unpositrón(e⁺) y unneutrino($\nu _{e}$):

$p^{+}\rightarrow n^{0}+e^{+}+\nu _{e}$.

Sin embargo, este último modo no se presenta de forma aislada, sino que necesita un aporte de energía.

La desintegración beta hace cambiar al elemento químico que la sufre. Por ejemplo, en la desintegración β⁻el elemento se transforma en otro con un protón (y un electrón) más. Así en la desintegración del¹³⁷Cs por β⁻;

$^{137}Cs\rightarrow ^{137}Ba^{+}+e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}$

En 1934,Enrico Fermiconsiguió crear un modelo de esta desintegración que respondía correctamente a su fenomenología.

Véase también:captura electrónica

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 dearmas nucleares:

1. 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.
2. Aquellas que utilizan la energía nuclear para supropulsión,pudiendo posiblemente utilizarla para su detonación. En esta categoría se pueden citar losbuques de guerra de propulsión nuclear(cruceros,portaaviones,submarinos,bombarderos,etc.).

Bomba atómica

Existen dos formas básicas de utilizar la energía nuclear desprendida porreaccionesen cadena descontroladas de forma explosiva: la fisión y la fusión.

Bomba de fisión

Métodos utilizados para crear unamasa críticadel elemento físil empleado en la bomba de fisión.

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

Existen dos tipos básicos de bombas de fisión: utilizandouranioaltamente enriquecido (enriquecimiento superior al 90 % en²³⁵U) o utilizandoplutonio.Ambos tipos se fundamentan en una reacción defisiónen cadena descontrolada y solo se han empleado en un ataque real enHiroshimayNagasaki,al final de laSegunda Guerra Mundial.

Para que este tipo de bombas funcionen es necesario utilizar una cantidad del elemento utilizado superior a laMasa crítica.Suponiendo una riqueza en el elemento del 100 %, eso suponen 52kgde²³⁵U o 10 kg de²³⁹Pu. Para su funcionamiento se crean 2 o más partes subcríticas que se unen mediante unexplosivoquímico 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 seauranio enriquecidooplutonio 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 deTNThasta los 500.000kilotones.

Bomba de fusión

Diseño básico Teller-Ullam

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 llamóbomba termonuclear,bomba Hobomba 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 labomba del Zar,de una potencia superior a los 50megatones.

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. Este mecanismo se denominaProceso Teller-Ulam. 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 llamadobomba nuclear limpia.El extremo de esta característica son las llamadasbombas de neutronesobomba 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 armasanticarro,ya que al penetrar los neutrones en el interior de los mismos, matan a sus ocupantes por las radiaciones.

Buques militares de propulsión nuclear

Durante la Segunda Guerra Mundial se comprobó que elsubmarinopodía ser un arma decisiva, pero poseía un grave problema: su necesidad de emerger tras cortos períodos para obtener aire para la combustión deldiéselen que se basaban sus motores (la invención delsnorkelmejoró algo el problema, pero no lo solucionó). El AlmiranteHyman G. Rickoverfue el primero que pensó que la energía nuclear podría ayudar con este problema.

USS Enterprise(CVN-65) junto con otros buques de apoyo de propulsión nuclear (un crucero y un destructor) en el Mediterráneo. La tripulación forma en su cubierta la famosa fórmula deEinsteinE=mc² sobre la equivalencia masa-energía.

Los desarrollos de losreactores nuclearespermitieron un nuevo tipo de motor con ventajas fundamentales:

1. No precisa aire para el funcionamiento del motor, ya que no se basa en la combustión.
2. Una pequeña masa de combustible nuclear permite una autonomía de varios meses (años incluso) sin repostar. Por ejemplo, los submarinos de Estados Unidos no necesitan repostar durante toda su vida útil.
3. Unempujeque ningún otro motor puede equiparar, con lo que pudieron construirse submarinos mucho más grandes que los existentes hasta el momento. El mayor submarino construido hasta la fecha son los de la claseAkularusos (desplazamiento de 48 000 toneladas, 175mde longitud).

Estas ventajas condujeron a buques que alcanzan velocidades de más de 25nudos,que pueden permanecer semanas en inmersión profunda y que además pueden almacenar enormes cantidades de munición (nuclear o convencional) en sus bodegas. De hecho las armadas de Estados Unidos, Francia y el Reino Unido solo poseen submarinos que utilizan este sistema de propulsión.

En los submarinos se han utilizado reactores deagua a presión,deagua en ebullicióno de sales fundidas. Para conseguir reducir el peso del combustible en estos reactores se usa uranio con altos grados de enriquecimiento (del 30 al 40 % en los rusos o del 96 % en los estadounidenses). Estos reactores presentan la ventaja de que no es necesario (aunque sí es posible) convertir el vapor generado por el calor en electricidad, sino que puede utilizarse de forma directa sobre unaturbinaque proporciona el movimiento a lashélicesque impulsan el buque, mejorando notablemente el rendimiento.

Se han construido una gran variedad de buques militares que usan motores nucleares y que, en algunos casos, portan a su vez misiles de medio o largo alcance con cabezas nucleares:

• Cruceros.Como elUSS Long Beach(CGN-9), dosreactores nucleares integradostipo C1W.
• Destructores.Como elUSS Bainbridge (CGN-25)fue el buque de propulsión nuclear más pequeño jamás construido, usa dos reactores nucleares integrados tipo D2G.
• Portaaviones.El más representativo es elUSS Enterprise(CVN-65), construido en 1961 y aún operativo, que utiliza para su propulsión 8 reactores nucleares tipo A2W.
• Submarinos balísticos.Utilizan la energía nuclear como propulsión y misiles de medio o largo alcance como armamento. La clase Akula son de este tipo, utilizando dos reactores nucleares tipo OK-650 y portando, además de armamento convencional, 20 misiles nucleares RSM-52, cada uno con 10 cabezas nucleares de 200kilotonescada una.
• Submarinos de ataque.Como elUSS Seawolf (SSN-21)de laclase Seawolfque usa un reactor nuclear integradoPWRtipo S6W. Alcanza una velocidad de 30nudos.

China, Estados Unidos de América, Francia, Reino Unido y Rusia, poseen buques de propulsión nuclear.

Aviones militares de propulsión nuclear

Tanto Estados Unidos como la Unión Soviética se plantearon la creación de una flota de bombarderos de propulsión nuclear. De este modo se pretendía mantenerlos cargados con cabezas nucleares y volando de forma permanente cerca de los objetivos prefijados. Con el desarrollo delMisil balístico intercontinental(ICBM) a finales de los años 1950, más rápidos y baratos, sin necesidad de pilotos y prácticamente invulnerables, se abandonaron todos los proyectos.

Los proyectos experimentales fueron:

• Convair X-6.Proyecto estadounidense a partir de un bombarderoB-36.Llegó a tener un prototipo (el NB-36H) que realizó 47 vuelos de prueba de 1955 a 1957, año en el que se abandonó el proyecto. Se utilizó un reactor de fisión de3MWrefrigerado con aire que solo entró en funcionamiento para las pruebas de los blindajes, nunca propulsando el avión.
• Tupolev Tu-119.Proyecto soviético a partir de un bombarderoTupolev Tu-95.Tampoco pasó de la etapa de pruebas.

Véanse también:Carrera armamentista de la Guerra Fría,Estrategia de las armas nucleares,Escudo AntimisilesyTratado de No Proliferación Nuclear.

Propulsión nuclear civil

La energía atómica se utiliza desde los años 1950 como sistema para dar empuje (propulsar) distintos sistemas, desde los submarinos (el primero que utilizó la energía nuclear), hasta naves espaciales.

Buques nucleares civiles

ElNS Savannah,el primer buque nuclear de mercancías y pasajeros jamás construido, fue botado en 1962 y desguazado 8 años más tarde por su inviabilidad económica.

Tras el desarrollo de losbuques de propulsión nuclearde uso militar se hizo pronto patente que existían ciertas situaciones en las que sus características podían ser trasladadas a la navegación civil. Se han construidocarguerosyrompehielosque usan reactores nucleares como propulsión.

El primer buque nuclear de carga y pasajeros fue elNS Savannah,botado en 1962. Solo se construyeron otros tres buques de carga y pasajeros: ElMutsujaponés,elOtto Hahnalemány elSevmorputruso.El Sevmorput (acrónimo de 'Severnii Morskoi Put'), botado en 1988 y dotado con un reactor nuclear tipo KLT-40 de 135 MW, sigue en activo hoy en día transitando la ruta delmar del norte.

Propulsión aeroespacial

Recreación artística delProyecto Orión.

Aunque existen varias opciones que pueden utilizar la energía nuclear para propulsar cohetes espaciales, solo algunas han alcanzado niveles de diseño avanzados.

Elcohete termonuclear,por ejemplo, utiliza hidrógeno recalentado en un reactor nuclear de alta temperatura, consiguiendo empujes al menos dos veces superiores a los cohetes químicos. Este tipo de cohetes se probaron por primera vez en 1959 (elKiwi 1), dentro del ProyectoNERVA,cancelado en 1972. En 1990 se relanzó el proyecto bajo las siglas SNTP (Space Nuclear Thermal Propulsion)​ dentro del proyecto para un viaje tripulado aMarteen 2019. En 2003 comenzó con el nombre deProyecto Prometeo.Otra de las posibilidades contempladas para lapropulsión nuclearde cohetes espaciales es el uso de un reactor nuclear que alimente a unpropulsor iónico(Nuclear Electric Xenon Ion Systemo NEXIS).

ElProyecto Orión​ fue un proyecto ideado porStanisław Ulamen 1947, que comenzó en 1958 en la empresaGeneral Atomics.Su propósito era la realización de viajes interplanetarios de forma barata a una velocidad de un 10 % dec.Para ello utilizaba un método que se denominópropulsión nuclear pulsada(External Pulsed Plasma Propulsiones su denominación oficial en inglés). El proyecto fue abandonado en 1963, pero el mismo diseño se ha utilizado como base en elProyecto Daedalus​ británico con motor de fusión, elProyecto Longshot​ estadounidense con motor de fisión acoplado a un motor de fusión inercial o elProyecto Medusa.

También se ha propuesto el uso delGTRcomo fuente para uncohete de radioisótopos.​

Automóvil nuclear

La única propuesta conocida es el diseño conceptual lanzado porForden 1958: elFord Nucleon.​ Nunca fue construido un modelo operacional. En su diseño se proponía el uso de un pequeño reactor de fisión que podía proporcionar una autonomía de más de 8000km.Un prototipo del coche se mantiene en elmuseo Henry Ford.

Una opción, incluida en las alternativas alpetróleo,es el uso delhidrógenoencélulas de combustiblecomo combustible paravehículos de hidrógeno. La producción de hidrógeno requiere de grandes cantidades de energía. La energía nuclear podría emplearse como fuente de energía, en cuyo caso el hidrógeno producido podría categorizarse comohidrógeno verdeal ser la atómica una fuente de energía debajas emisiones de carbono.​​

Generación de electricidad

Producción de electricidad en el mundo en 2012​
Carbón de turba (40,4 %)Gas natural (22,5 %)Hidroeléctrica (16,2 %)Energía nuclear (10,9 %)Petróleo (5 %)Energías renovables (5 %)

Probablemente, la aplicación práctica más conocida de la energía nuclear es lageneración de energía eléctricapara su uso civil, en particular mediante la fisión deuranio 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 otracentral térmica,sin embargo poseen características especiales con respecto a las que usancombustibles fósiles:

• Se necesitan medidas de seguridad y control mucho más estrictas. En el caso de losreactores de cuarta generaciónestas 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 variosórdenes de magnitudinferior al que precisan las térmicas convencionales.
• Las emisiones directas deCO₂yNO_xen la generación de electricidad, principalesgases de efecto invernaderode origen antrópico, son nulas; aunque indirectamente, en procesos secundarios como la obtención de mineral y construcción de instalaciones, sí se producen emisiones.​

A partir de la fisión

La investigación en energía nuclear inicialmente estaba movida fundamentalmente por sus aplicaciones militares. Sin embargo, las aplicaciones civiles de lafisión nuclear,en especial en la generación de energía eléctrica, fueron también consideradas de gran interés. Así, el 20 de diciembre de 1951 fue el primer día que se consiguió generar electricidad con un reactor nuclear (en el reactor estadounidenseEBR-I,con unapotenciade unos100kW), pero no fue hasta 1954 cuando se conectó a la red eléctrica una central nuclear (fue la central nuclear soviéticaObninsk,generando5 MWcon solo un 17 % derendimiento térmico). El primer reactor de fisión comercial fue elCalder HallenSellafield,que se conectó a la red eléctrica en 1956. El 25 de marzo de 1957 se creó laComunidad Europea de la Energía Atómica(EURATOM), el mismo día que se creó laComunidad Económica Europea,entreBélgica,Francia,Alemania,Italia,Luxemburgoy losPaíses Bajos.Ese mismo año se creó elOrganismo Internacional de Energía Atómica(OIEA). Ambos organismos con la misión, entre otras, de impulsar el uso pacífico de la energía nuclear.

Evolución de lascentrales nucleares de fisiónen el mundo. Arriba: potencia instalada (azul) y potencia generada (rojo). Abajo: número de reactores construidos y en construcción (azul y gris respectivamente).

Su desarrollo en todo el mundo experimentó a partir de ese momento un gran crecimiento, de forma muy particular enFranciayJapón,donde lacrisis del petróleo de 1973influyó definitivamente, ya que su dependencia del petróleo para la generación eléctrica era muy marcada (39 y 73 % respectivamente en aquellos años, en 2008 generan un 78 y un 30 % respectivamente mediante reactores de fisión).^{[cita requerida]}En 1979 elaccidente de Three Mile Islandprovocó un aumento muy considerable en las medidas de control y de seguridad en las centrales, sin embargo no se detuvo el aumento de capacidad instalada. Pero en 1986 elaccidente de Chernóbil,en un reactorRBMKde diseñosoviéticoque no cumplía los requisitos de seguridad que se exigían en Occidente, cortó drásticamente ese crecimiento.

En octubre de 2007 existían 439centrales nuclearesen todo el mundo que generaron 2,7 millones deMWhen 2006. La potencia instalada en 2007 fue de 370 721MWe.En marzo de 2008 había 35 centrales en construcción, planes para construir 91 centrales nuevas (99 095 MWe) y otras 228 propuestas (198 995^MWe).​ Aunque solo 30 países en el mundo poseen centrales nucleares, aproximadamente el 15 % de la energía eléctrica generada en el mundo se produce a partir de energía nuclear.​

La mayoría de los reactores son de los llamados deagua ligera(LWRpor su sigla en inglés), que utilizan comomoderadoragua intensamente purificada. En estos reactores el combustible utilizado esuranio enriquecidoligeramente (entre el 3 y el 5 %).

Más tarde se planteó añadir elplutoniofisible generado (${}_{94}^{239}Pu$) como combustible extra en estos reactores de fisión, aumentando de una forma importante la eficiencia del combustible nuclear y reduciendo así uno de los problemas del combustible gastado. Esta posibilidad incluso llevó al uso del plutonio procedente del armamento nuclear desmantelado en las principales potencias mundiales. Así se desarrolló el combustibleMOX,en el que se añade un porcentaje (entre un 3 y un 10 % en masa) de este plutonio auranio empobrecido.Este combustible se usa actualmente como un porcentaje del combustible convencional (deuranio enriquecido). También se ha ensayado en algunos reactores un combustible mezcla de torio y plutonio, que genera una menor cantidad deelementos transuránicos.

Otros reactores utilizanagua pesadacomo moderador. En estos reactores se puede utilizaruranio natural,es decir, sin enriquecer y además se produce una cantidad bastante elevada detritioporactivación neutrónica.Este tritio se prevé que pueda aprovecharse en futuras plantas de fusión.

Otros proyectos de fisión, que no han superado hoy en día la fase de experimentación, se encaminan al diseño de reactores en los que pueda generarse electricidad a partir de otros isótopos, principalmente el${}_{90}^{232}Th$y el${}_{92}^{238}U$.

Tipos de reactores

La diferencia básica entre los distintos diseños de reactores nucleares de fisión es elcombustibleque utilizan. Esto influye en el tipo demoderadoryrefrigeranteusados. De entre todas las posibles combinaciones entre tipo de combustible, moderador y refrigerante, solo algunas son viables técnicamente (unas 100 contando las opciones de neutrones rápidos). Pero solo unas cuantas se han utilizado hasta el momento en reactores de uso comercial para la generación de electricidad (ver tabla).

Tipos de reactores nucleares de fisión comerciales (neutrones térmicos)​ Combustible Moderador Refrigerante Uranio natural Grafito Aire CO2 H2O (agua ligera) D2O (agua pesada) D2O (agua pesada) Compuestos orgánicos H2O (agua ligera) D2O (agua pesada) Gas Uranio enriquecido Grafito Aire CO2 H2O (agua ligera) D2O (agua pesada) Sodio D2O (agua pesada) Compuestos orgánicos H2O (agua ligera) D2O (agua pesada) Gas H2O (agua ligera) H2O (agua ligera)

El único isótopo natural que es fisionable con neutrones térmicos es el${}_{92}^{235}U$,que se encuentra en una proporción de un 0.7 % en peso en el uranio natural. El resto es${}_{92}^{238}U$,consideradofértil,ya que, aunque puede fisionar con neutrones rápidos, poractivacióncon neutrones se convierte en${}_{94}^{239}Pu$,que sí es físil mediante neutrones térmicos.

Los reactores de fisión comerciales, tanto deprimeracomo desegundaotercera generación,utilizan uranio con grados deenriquecimientodistinto, desde uranio natural hasta uranio ligeramente enriquecido (por debajo del 6 %). Además, en aquellos en los que se usa uranio enriquecido, la configuración delnúcleo del reactorutiliza diferentes grados de enriquecimiento, con uranio más enriquecido en el centro y menos hacia el exterior. Esta configuración consigue dos fines: por una parte disminuir los neutrones de fuga por reflexión, y por otra parte aumentar la cantidad de${}_{94}^{239}Pu$consumible. En los reactores comerciales se hacen fisionar esos átomos fisibles con neutrones térmicos hasta el máximo posible (al grado dequemadodel combustible se le denominaburnup), ya que se obtienen mayores beneficios cuanto más provecho se saca del combustible.

Otro isótopo considerado fértil con neutrones térmicos es eltorio(elemento natural, compuesto en su mayoría por el isótopo${}_{90}^{232}Th$), que por activación produce${}_{92}^{233}U$,físil con neutrones térmicos y rápidos (es regla general que aquellos elementos con número atómico A impar sean fisibles, y con A par fértiles).

Esos tres isótopos son los que producen fisionesexoergicas,es decir, generan más energía que la necesaria para producirlas, con neutrones térmicos. Los demás elementos (con z<92) solo fisionan con neutrones rápidos. Así el${}_{92}^{238}U$por ejemplo puede fisionarse con neutrones de energías superiores a 1,1MeV.

Esquema de un reactor VVER-1000. 1-Barras de control.2- Tapa del reactor. 3- Chasis del reactor. 4-Toberasde entrada y salida. 5- Vasija del reactor. 6- Zona activa del reactor. 7-Barras de combustible.

Aunque hay varias formas de clasificar los distintos reactores nucleares, la más utilizada, y con la que se denominan los distintos tipos de reactores de fisión es por la combinaciónmoderador/refrigeranteutilizado. Estas son las denominaciones de los reactores comerciales de neutrones térmicos utilizados en la actualidad (de segunda generación), junto a su número en el mundo (entre paréntesis)​ y sus características principales:

• PWR(VVERen ruso). (264). Uranio enriquecido, moderador y refrigerante agua ligera.
• BWR.(94). Uranio enriquecido, moderador y refrigerante agua ligera.
• CANDU.(43). Uranio natural, moderador y refrigerante agua pesada.
• AGR.(18). Usa uranio enriquecido como combustible, moderador grafito, refrigerante CO₂.
• RBMK.(12)​. Uranio natural o enriquecido, moderador grafito, refrigerante agua ligera.
• Otros. 4 reactores rusos que usan uranio enriquecido, moderador grafito y refrigerante agua ligera.

Los diseños de reactores que utilizan neutrones rápidos, y por tanto pueden utilizar como combustible${}_{92}^{238}U$,${}_{94}^{239}Pu$o${}_{90}^{232}Th$entre otros, no necesitan moderador para funcionar. Por ese motivo es difícil utilizar los mismos materiales que se usan en los térmicos como refrigerantes, ya que en muchas ocasiones también actúan como moderador. Todos los reactores de este tipo hasta el momento han utilizado como refrigerante metales líquidos (mercurio,plutonio,yoduro potásico,plomo,bismuto,sodio...). Cuando estos reactores además consiguen producir más cantidad de material físil que el que consumen se les denominareactores reproductores rápidos.En la actualidad existen cuatro FBR, tres en parada fría y solo uno en operación comercial.​

Los diseños de reactores que aprovechan las lecciones aprendidas en el medio siglo transcurrido (aproximadamente una docena de diseños distintos) se denominan de tercera generación o reactores avanzados. Solo se han puesto en marcha algunos en Japón y se están construyendo algunos otros. En general son evoluciones de los reactores de segunda generación (como el BWR avanzado oABWRo el PWR avanzado: elEPRo elAP1000), aunque existen algunos diseños completamente nuevos (como elPBMRque utilizaheliocomo refrigerante y combustibleTRISOque contiene el moderador de grafito en su composición).

Losreactores de cuarta generaciónno saldrán del papel al menos hasta 2020, y en general son diseños que buscan, además de niveles de seguridad superiores a las plantas de fisión de las generaciones anteriores, que los únicos residuos de alta actividad tenganvidasmuy cortas, quemando los actínidos de vida larga. A este grupo pertenecen por ejemplo los reactores asistidos por acelerador (ADS). En general estos reactores se basarán en neutrones rápidos.

Existen algunos otros diseños, basados fundamentalmente en los descritos, para generar energía en lugares remotos, como el reactor flotante rusoKLT-40So el microrreactor nuclear de 200 kW deToshiba.​

Véase también:Fisión asistida

Seguridad​​

Laseguridad nuclearen una central nuclear consiste en la previsión de los riesgos asociados a su actividad, con el objetivo de que puedan ser analizados y mitigados. A todos aquellos sistemas diseñados para eliminar o al menos minimizar esos riesgos se les llama sistemas de protección y control. En una central nuclear de uso civil se utiliza una aproximación llamadadefensa en profundidad.Esta aproximación sigue un diseño de múltiples barreras para alcanzar ese propósito. Una primera aproximación a las distintas barreras utilizadas (cada una de ellas múltiple), de fuera adentro podría ser:

1. Autoridad reguladora:es el organismo encargado de velar que el resto de barreras se encuentren en perfecto funcionamiento. No debe estar vinculado a intereses políticos ni empresariales, siendo sus decisiones vinculantes.
2. Normasy procedimientos: todas las actuaciones deben regirse por procedimientos y normas escritas. Además se debe llevar a cabo uncontrol de calidady deben estar supervisadas por la autoridad reguladora.
3. Primera barrera física (sistemas pasivos): sistemas de protección intrínsecos basados en lasleyes de la Físicaque dificultan la aparición de fallos en el sistema del reactor. Por ejemplo el uso de sistemas diseñados conreactividadnegativa o el uso deedificios de contención.
4. Segunda barrera física (sistemas activos): Reducción de la frecuencia con la que pueden suceder los fallos. Se basa en laredundancia,separación o diversidad desistemas de seguridaddestinados a un mismo fin. Por ejemplo lasválvulas de controlque sellan los circuitos.
5. Tercera barrera física: sistemas que minimizan los efectos debidos a sucesos externos a la propia central. Como los amortiguadores que impiden una ruptura en caso desismo.
6. Barrera técnica: todas las instalaciones se instalan en ubicaciones consideradas muy seguras (baja probabilidad de sismo ovulcanismo) y altamente despobladas.

Además debe estar previsto qué hacer en caso de que todos o varios de esos niveles fallaran por cualquier circunstancia. Todos, los trabajadores u otras personas que vivan en las cercanías, deben poseer la información y formación necesaria. Deben existir planes de emergencia que estén plenamente operativos. Para ello es necesario que sean periódicamente probados mediante simulacros. Cada central nuclear posee dos planes de emergencia: uno interior y uno exterior, comprendiendo el plan de emergencia exterior, entre otras medidas, planes de evacuación de la población cercana por si todo lo demás fallara.

Gráfica con los datos de lossucesos notificadosalCSNpor las centrales nucleares españolas en el periodo 1997-2006.​​​​

Aunque los niveles de seguridad de los reactores de tercera generación han aumentado considerablemente con respecto a las generaciones anteriores, no es esperable que varíe la estrategia de defensa en profundidad. Por su parte, los diseños de los futuros reactores de cuarta generación se están centrando en que todas las barreras de seguridad sean infalibles, basándose tanto como sea posible en sistemas pasivos y minimizando los activos. Del mismo modo, probablemente la estrategia seguida será la de defensa en profundidad.

Cuando una parte de cualquiera de esos niveles, compuestos a su vez por múltiples sistemas y barreras, falla (por defecto de fabricación, desgaste, o cualquier otro motivo), se produce un aviso a los controladores que a su vez se lo comunican a losinspectores residentesen la central nuclear. Si los inspectores consideran que el fallo puede comprometer el nivel de seguridad en cuestión elevan el aviso al organismo regulador (en España elCSN). A estos avisos se les denominasucesos notificables.​​ En algunos casos, cuando el fallo puede hacer que algún parámetro de funcionamiento de la central supere lasEspecificaciones Técnicas de Funcionamiento(ETF) definidas en el diseño de la central (con unos márgenes de seguridad), se produce un paro automático de la reacción en cadena llamadoSCRAM.En otros casos la reparación de esa parte en cuestión (una válvula, un aspersor, una compuerta,...) puede llevarse a cabo sin detener el funcionamiento de la central.

Si cualquiera de las barreras falla aumenta la probabilidad de que suceda un accidente. Si varias barreras fallan en cualquiera de los niveles, puede finalmente producirse la ruptura de ese nivel. Si varios de los niveles fallan puede producirse unaccidente nuclear,que puede alcanzar diferentes grados de gravedad. Esos grados degravedadse organizaron en laEscala Internacional de Accidentes Nucleares(INES) por elOIEAy laAEN,iniciándose la escala en el 0 (sin significación para la seguridad) y acabando en el 7 (accidente grave).

A lo largo de la historia han ocurrido variosaccidentes nucleares. El de mayor gravedad fue elaccidente de Chernóbil,ocurrido el 26 de noviembre de 1986 en lacentral nuclear de Chernóbil. En este accidente, varias barreras se rompieron: falta de independencia gubernamental, un diseño de reactor de reactividad positiva, ausencia de edificio de contención, carencia de planes de emergencia, etc. Por ello, el accidente fue catalogado de nivel 7 en laEscala Internacional de Accidentes Nucleares(INES).

El accidente de mayor gravedad ocurrido en España fue elaccidente nuclear de Vandellós Iocurrido en la central nuclear deVandellós Iel 19 de octubre de 1989. En ese momento, no se empleaba la escala INES en España, pero después de su implantación, fue catalogado en dicha escala como un incidente de grado 3, es decir, como "incidente importante", sin llegar a la consideración de accidente grave.​ Sin embargo, el suceso determinó la clausura definitiva del reactor afectado por la gravedad de los daños sufridos.

Véase también:Principios fundamentales de la seguridad

A partir de la fusión

Maqueta de una sección deITER.

Al igual que la fisión, tras su uso exclusivamente militar, se propuso el uso la energía nuclear liberada en las reacciones defusiónpara su aplicación en tecnología civil. En particular, los grandes proyectos de investigación se han encaminado hacia el desarrollo de reactores de fusión para la producción de electricidad. El primer diseño de reactor nuclear se patentó en 1946,​ aunque hasta 1955 no se definieron las condiciones mínimas que debía alcanzar el combustible (isótopos ligeros, habitualmente de hidrógeno), denominadascriterios de Lawson,para conseguir una reacción de fusión continuada. Esas condiciones se alcanzaron por primera vez de forma cuasiestacionaria el año 1968.^{[¿por quién?]}

La fusión se plantea como una opción más eficiente (en términos de energía producida por masa de combustible utilizada), segura y limpia que la fisión, útil para el largo plazo.​ Sin embargo, pese a los numerosos avances en el campo, la aplicación comercial de la fusión nuclear para la generación de energía eléctrica aún no está disponible ni se prevé que lo esté en las próximas décadas.​ La principal dificultad encontrada, entre otras muchas de diseño y materiales, consiste en la forma de confinar la materia en estado de plasma hasta alcanzar las condiciones impuestas por los criterios de Lawson, ya que no hay materiales capaces de soportar las temperaturas impuestas. Principalmente, se conocen dos alternativas para alcanzar los criterios de Lawson, que son elconfinamiento magnéticoy elconfinamiento inercial.

En la actualidad, el proyectoITER,fruto de la colaboración internacional, es el más avanzado al respecto, aunque su objetivo es demostrar la viabilidad científica de un reactor de fusión, no la generación de energía eléctrica. LaUnión Europeaestá desarrollando el diseño deDEMO,un reactor nuclear que sucederá a ITER y que tendrá por objetivo demostrar la viabilidad tecnológica de la fusión sirviendo como prototipo de una central nuclear de fusión.

Aunque ya se llevan a cabo reacciones de fusión de forma controlada en los distintos laboratorios, en estos momentos los proyectos se encuentran en el estudio de viabilidad técnica en centrales de producción eléctrica como elITERo elNIF. Estos proyectos tienen por objetivo demostrar que se puede obtener más energía liberada en una reacción nuclear controlada que la necesaria para iniciarla, pero no tienen por objetivo demostrar la producción de energía eléctrica a partir de esta energía liberada. El proyecto ITER, ubicado en Francia, pero que es fruto de la colaboración internacional, está basado en un reacto de confinamiento magnético de tipotokamak. Una vez demostrada la viabilidad de conseguir un reactor de fusión que sea capaz de funcionar de forma continuada durante largos períodos, se construirán prototipos encaminados a la demostración de su viabilidad económica.​ LaUnión Europeaestá diseñando el reactorDEMO,un tokamak que sucederá al ITER como instalación de referencia en confinamiento magnético y que sí tendrá como objetivo demostrar la viabilidad tecnológica de la producción de energía a partir de la fusión nuclear, sirviendo como un primer prototipo de central nuclear de fusión.

En cuanto a confinamiento inercial, la principal referencia es el proyecto NIF delLaboratorio Nacional Lawrence Livermore,en losEstados Unidos. Este último, logró el 5 de diciembre de 2022 el objetivo de obtener unfusión nuclearpositivo, es decir, las reacciones de fusión desencadenadas durante el experimento liberaron más energía que la suministrada al combustible, esto es, sin considerar las ineficiencias del láser y otras pérdidas. ​​

Tipos de reactores

Existen dos grandes grupos, separados por el método empleado para alcanzar las condiciones detiempo,densidadytemperaturanecesarias para que pueda alcanzarse la fusión controlada de forma continua:

• Fusión medianteconfinamiento magnético.
• Fusión medianteconfinamiento inercial.

En el primer caso, en un recipiente donde se ha practicado un vacío elevado, se eleva la temperatura de una mezcla de deuterio-tritio mediantecampos electromagnéticoshasta convertirla enplasma.

También mediante campos electromagnéticos se confina el plasma en una región lo más pequeña y alejada de las paredes del recipiente que sea posible, aumentando de forma continua la densidad y la temperatura.

A este tipo de fusión corresponden los diseños delTokamak,como el futuroITER,o delStellarator,como elTJ-IIespañol.

En el segundo caso se hace incidir un haz de fotones o de partículas cargadas (electrones o protones) muy energético eintensosobre un blanco compuesto por el combustible (deuterio-tritio actualmente). Ese haz puede estar enfocado de forma directa sobre el blanco, o bien de forma indirecta sobre un dispositivo denominadoholraumconstruido con un material de altoZque genera a su vez un intensísimo campo derayos Xque está enfocado sobre el blanco.

Hasta la década de 1970 no se desarrollaron láseres con las potencias necesarias para conseguir iniciar la reacción.

Holraum delNIF.

En la actualidad se investiga en varios centros, pero a nivel nacional. Esto se debe a que el mecanismo empleado produce microexplosiones termonucleares, de forma que tanto el software empleado en cálculos y simulaciones termohidráulicas, como los resultados obtenidos, pueden emplearse directamente en el armamento termonuclear. Por este motivo las instalaciones construidas hasta el momento, además de buscar la aplicación civil mediante generación de electricidad, poseen una importante componente militar ya que permiten, tras la prohibición de ensayos nucleares en superficie, realizar pruebas a escala diminuta (para los parámetros del armamento nuclear).

Aunque existen múltiples diseños tanto con el uso de láseres como de aceleradores de partículas, los proyectos más importantes hasta el momento en el mundo son elNIFde Estados Unidos y elLMJfrancés, ambos diseños empleando láseres.

Seguridad

Aunque la misma filosofía empleada en la fisión puede emplearse en los reactores de fusión, se ha planteado esta como una opción no contaminante e intrínsecamente segura. Desde el punto de vista de la seguridad, ya que los reactores diseñados necesitan un aporte exterior de energía y de combustible, si existiera un accidente que produjese el fallo de la máquina la reacción se detendría, con lo que se hace imposible una reacción en cadena descontrolada.

El residuo principal de la reacción de fusión deuterio-tritio sería elhelio,que es ungas nobley por tanto no interacciona con nada, incluido el organismo humano. Sin embargo las reacciones nucleares de fusión desprenden neutrones altamente energéticos. Esto implica la producción de materiales radiactivos por activación neutrónica. Además, en un ciclo deuterio-tritio, una parte del propio combustible es también radiactivo (el tritio). Para minimizar los efectos, por tanto:

• se debe reducir tanto como se pueda la cantidad de material radiactivo utilizado así como el generado en la propia instalación;
• se debe anular en lo posible el riesgo derivado de la manipulación de los materiales radiactivos generados, ya sea en forma de combustible nuevo o reciclado o como residuos radiactivos;
• se deben definir cuáles son las mejores formas de gestionar esos vertidos.

Para ello se está investigando en el uso de materiales de baja activación, utilizando aleaciones que no son comunes en otras aplicaciones. Este aspecto podría disminuir la cantidad de residuos radiactivos generados, pero además en caso de accidente donde parte de los materiales se fundieran por las altas temperaturas, elinventario radiactivoemitido también sería menor. Además, la estrategia de diseño se centra en conseguir que todos losradioisótoposgenerados sean desemiperiodocorto (menor de 10 años). Si no se consiguiera, las estrategias a seguir serían idénticas a las estudiadas en el caso de los reactores de fisión.

Hasta los años 1990 no se había planteado realmente este problema, por lo que los materiales válidos para la fusión se pensaba que eran losacerosausteníticos (SS316L y SS316-modTi) y ferríticos/martensíticos (HT-9 y DIN 1.1494/MANET). Las investigaciones se habían centrado en lagestión de residuos,dejando de lado el estudio de los posibles accidentes. A partir de los 90 se plantea que debían contemplarse varios problemas en la optimización de los materiales de baja activación, subrayándose principalmente el aspecto de la seguridad frente accidentes además del clásico de la gestión de los residuos. A partir de los aceros convencionales propuestos para fusión se propusieron versiones de baja activación, resultado de la sustitución de elementos que daban lugar a una radiactividad alta por otros metalúrgicamente equivalentes y de baja actividad inducida.

Las soluciones que se adopten en la fusión inercial o en la magnética en principio no tendrán que ser iguales. Así se han desarrollado aleaciones de vanadio, titanio y cromo que presentan mejores comportamientos en la fusión inercial que en la magnética. Se sabe que losmateriales cerámicostienen mejor comportamiento que los aceros en ambos tipos de fusión.

Generación de calor y electricidad a partir de otras reacciones nucleares

Un método ampliamente utilizado en aquellas aplicaciones en las que se requiere un aporte eléctrico de baja corriente, con una larga duración, es el uso deunidades de calor mediante radioisótoposacoplados a una serie de termopares que proporcionan una corriente eléctrica, los llamados generadores termoeléctricos de radioisótopos.

GTR para elVoyager

En este caso se aprovecha la radiactividad emitida por los núcleos de algunos isótopos. Los isótopos considerados más interesantes para este tipo de aplicación son aquellos que emitenpartículas alfa(como por ejemplo el²⁴¹Amo el²¹⁰Po), ya que se reaprovechan más eficientemente las radiaciones emitidas, y es más sencillo su manejo. Sin embargo también se han utilizado emisores beta, como el⁹⁰Sr.

Estos generadores suelen poseer duraciones de varias décadas, y son extremadamente útiles en aplicaciones en las que otras soluciones no sirven. Por ejemplo, en zonas donde es difícil el mantenimiento o sustitución de las baterías y además no existe suficiente luz solar o viento. Se han utilizado en faros cercanos al polo norte en la antigua Unión Soviética y se utilizan frecuentemente en sondas espaciales. Una de sus aplicaciones más curiosas puede ser su uso en marcapasos.

En algunas sondas espaciales que deben permanecer a muy baja temperatura se utiliza simplemente su capacidad de generar calor, obviando la posibilidad de generación eléctrica.

El 15 de octubre de 1997 se lanzó la misiónCassini-Huygenscon destino aSaturnoyTitán,en la que se ensambló uno de estos dispositivos.​

Seguridad

En estos dispositivos la seguridad se basa en dos sistemas principalmente:

• Por un lado asegurar su integridad a partir de su vigilancia continua,
• Por otro lado, conseguir que el material radiactivo empleado sea altamente inaccesible, mediante protecciones, sellos o incluso utilizando composiciones cerámicas que no reaccionan fácilmente con otros elementos.

En el caso de los GTR situados en zonas de alta inaccesibilidad, como los utilizados en faros instalados cerca de los polos, se suponía que la propia inaccesibilidad de las zonas aseguraba su integridad. Esto sin embargo no ha impedido que sucedieran variosaccidentes.

En el caso de los utilizados en satélites espaciales, la seguridad de los materiales radiactivos se asegura al mantener una vigilancia continua en las instalaciones, tanto en la construcción como en el montaje de los satélites. Una vez lanzados al espacio, evidentemente se hace imposible su mal uso. Sin embargo, en algunas ocasiones se han usado GTR en satélites en órbita alrededor de la Tierra. Cuando esa órbita se hace inestable es posible que el satélite caiga de nuevo, fundiéndose en su mayor parte en la reentrada. Este, junto a un posible accidente en el lanzamiento son los principales problemas de seguridad en este caso. En total se han producido 6 accidentes conocidos de este tipo (el último en 1996 en una sonda rusa). Para evitar la dispersión del material radiactivo que contienen se fabrican en materiales cerámicos (insolubles y resistentes al calor), rodeado de una capa deiridio,otra de bloques de grafito de alta resistencia y un gel que le da resistencia ante una posible reentrada en la atmósfera.

Para los GTR utilizados como marcapasos el principal problema se encuentra en la pérdida de información acerca de los pacientes en los que se han utilizado, imposibilitando así su debido seguimiento. Por este motivo, existe la posibilidad de que el paciente, tras su fallecimiento, fuera incinerado, incinerando con ello el propio dispositivo y su material radiactivo.

Las fuentes radiactivas de los GTR sobre los que se ha perdido el control (principalmente tras la caída de la URSS) son el principal motivo de preocupación por su posible uso en atentados terroristas (como parte de unabomba sucia), y por este motivo se realizan grandes esfuerzos a nivel internacional por recuperarlas y ponerlas bajo control de nuevo.

Tratamiento de residuos nucleares

Véanse también:Residuo nuclear,Reprocesamiento nuclearyTransmutación.

En general, cualquier aplicación industrial generaresiduos.Todas las formas de generación de energía nuclear también los generan. Tanto los reactores nucleares de fisión o fusión (cuando entren en funcionamiento) como los GTR generan residuos convencionales que son trasladados a vertederos o instalaciones de reciclaje, residuos tóxicos convencionales (pilas, líquido refrigerante de los transformadores, etc.) y residuos radiactivos. El tratamiento de todos ellos, con excepción hecha de los residuos radiactivos, es idéntico al que se da a los residuos del mismo tipo generado en otros lugares (instalaciones industriales, ciudades,...).

Es diferente el tratamiento que se emplea en los residuos radiactivos. Para ellos se desarrolló una regulación específica, gestionándose de formas diferentes en función del tipo deradiactividadque emiten y delsemiperiodoque poseen. Esta regulación engloba todos los residuos radiactivos, ya procedan de instalaciones de generación de electricidad, de instalaciones industriales o de centros médicos.

Se han desarrollado diferentes estrategias para tratar los distintosresiduosque proceden de las instalaciones o dispositivos generadores de energía nuclear:

• Baja y media actividad.​ En este caso se trata de residuos con vida corta, poca radiactividad y emisores de radiacionesbetaogamma(pudiendo contener hasta un máximo de 4000 Bq g^-1de emisores alfa de semiperiodo largo). Suelen ser materiales utilizados en las operaciones normales de las centrales, como guantes, trapos, plásticos, etc. En general se prensan y secan (si es necesario) para reducir su volumen, se hormigonan (fijan) y se embidonan para ser almacenados durante un periodo de 300 o de 500 años, según los países, en almacenamientos controlados. En España este almacenamiento se encuentra en la provincia deCórdoba(El Cabril).
• Alta actividad.​ Estos residuos tienen semiperiodo largo, alta actividad y contienen emisores de radiacionesalfa(si son de semiperiodo largo solo si superan concentraciones de actividad de 4000 Bq g^-1). Se generan en mucho menor volumen pero son altamente nocivos inmediatamente después de ser generados. Generalmente, aunque no son los únicos, se trata de las propias barras de combustible de los reactores de fisión ya utilizadas. Para ellos se han desarrollado diversas estrategias:

Diagrama mostrando varios sistemas de almacenamiento de residuos de alta actividad en el almacenamiento deYucca Mountain.

1. Almacenamiento temporal:en las piscinas de las propias centrales (a veces llamadosATI), durante la vida de la central (habitualmente 40 años), o en almacenamientos construidos a propósito. En España aún se encuentra en proyecto elATC), el cual se emplazará en la localidad de Villar de Cañas (Cuenca) habiendo generado gran descontento entre la ciudadanía al no haber consenso.
2. Reprocesamiento:en este proceso se lleva a cabo una separación físico-química de los diferentes elementos, separando por una parte aquellos isótopos aprovechables en otras aplicaciones, civiles o militares (plutonio,uranio,cobaltoycesioentre otros). Es la opción más similar alreciclado.Sin embargo en el proceso no todos los elementos reciclados son totalmente reaprovechables, como por ejemplo elneptunioo elamericio.Para estos, en un volumen mucho menor que el inicial, es necesario aún el uso de otras opciones como el almacenamiento geológico profundo.
3. Almacenamiento Geológico Profundo(AGP): este proceso consiste en estabilizar las barras de combustible gastadas en contenedores resistentes a tratamientos muy severos que posteriormente se introducen en localizaciones similares a las minas, ya existentes (como en el caso de minas profundas), o construidas para tal fin. Suelen estar en matrices geológicas de las que se sabe que han sido estables durante millones de años. Las más comunes son calizas, graníticas o salinas. Los técnicos estiman que estos AGP deberían poder preservar íntegros los residuos durante los miles de años en que sigan siendo tóxicos sin afectar a las personas de la superficie. Su principal defecto es que sería muy difícil o imposible recuperar estos residuos para su uso útil en el caso de que técnicas futuras puedan aprovecharlos eficientemente.
4. Transmutaciónen centrales nucleares de nueva generación (Sistemas Asistidos por Aceleradores o en reactores rápidos): estos sistemas usantoriocomo combustible adicional y degradan los desechos nucleares en un nuevo ciclo defisión asistida,pudiendo ser una alternativa ante la dependencia delpetróleo,aunque deberán vencer el rechazo de la población. El primer proyecto será construido alrededor del 2014 (Myrrha). Esta técnica se estima aceptable para aquellos radioisótopos de semiperiodo largo para los que no se ha hallado ninguna aplicación todavía. Esos isótopos más problemáticos son los transuránicos como elcurio,elneptunioo elamericio.Sin embargo para emplear esta técnica se precisan métodos adicionales, como el reprocesado previo.​​

Para gestionar losresiduos radiactivossuele existir en cada país un organismo creado exclusivamente para ello. EnEspañase creó laEmpresa Nacional de Residuos Radiactivos,que gestiona los residuos radiactivos de todo tipo generados tanto en las centrales nucleares como en el resto de instalaciones nucleares o radiactivas.

Regulación

Junta de Gobernadores delOIEA

La regulación nuclear puede separarse en cuatro grandes grupos:

1. Funciones de los reguladores nacionales,
2. Residuos,
3. Seguridad
4. Protección radiológica.

Las bases científicas de toda la regulación internacional existente se fundan en estudios propios y recopilaciones llevadas a cabo por laCIPR,​UNSCEAR​ o elNAS/BEIRamericano.​ Además de estos, existen una serie de agencias de investigación y desarrollo en seguridad, como pueden ser laAEN​ o elEPRI.​ A partir de todas ellas, existen dos organismos internacionales que desarrollan las bases para la legislación: elOIEA(a nivel internacional)​ yEURATOM(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 laNCRP,laNRCo laEPAestadounidenses, laHPAinglesa (antiguamente NRPB) o elCEAfrancés.

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 lasleyes de calidad del aguao laconvención OSPAR.Aunque en elProtocolo de Kioto,que trata sobre las industrias que emiten gases de efecto invernadero, no se menciona la energía nuclear, sí aparece en otros documentos referentes alcalentamiento globalantropogénico. Así, en los acuerdos de Bonn de 2001,​ 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 lasenergías renovablesy laeficiencia energética) de reducir la emisión de gases de efecto invernadero.​

Controversia sobre la energía nuclear

Ventajas

Lascentrales nuclearesgeneran aproximadamente un tercio de la energía eléctrica que se produce en laUnión Europea,evitando así la emisión a laatmósferade 700 millones de toneladas dedióxido de carbonopor año[1]^{[cita requerida]}y del resto de emisiones contaminantes asociadas con el uso decombustibles fósiles.

Por otra parte, la aplicación de la tecnología nuclear a lamedicinaha tenido importantes aportes: emisiones de radiación para diagnóstico, como losrayos X,y para tratamiento del cáncer como laradioterapia;radiofármacos, que principalmente consiste en la introducción de sustancias al cuerpo, que pueden ser monitoreadas desde el exterior. En laalimentaciónha 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 laagricultura,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.​

Desventajas

El precio de la nueva energía nuclear es más alto que el de la energía renovable.

Algunas de estas desventajas son poco probables.

• Existe un riesgo de contaminación en caso de accidente o sabotaje.
• Produce residuos radiactivos que se deben almacenar y permanecen activos durante mucho tiempo. Aunque ahora es más fácil almacenarlo y a diferencia de la contaminación que causa el calentamiento global esta se puede confinar.

Coste

Otro inconveniente de la energía atómica es el coste de construcción y mantenimiento de las centrales nucleares, siendo éste muy elevado. Los últimos proyectos que se han llevado a cabo, como la central deOlkiluoto 3enFinlandia,la central de Hinkley Point C en elReino Unido,la central deFlamanville-3enFranciay los reactoresVogtle 3 y 4en losEstados Unidoshan costado entre 5,3 y más de 10 millones de Euros porMWinstalado. Estos costes resultan mucho mayores que los de las instalación de energías renovables, ya que a finales del 2019 una instalación fotovoltaica tenía un coste de entre 600.000 y 700.000 € por MW y una instalación eólica alrededor de 1 millón de € por MW.​ Sin embargo, la cantidad de energía que producen en su vida útil las centrales nucleares compensa los gastos de sus construcciones y mantenimientos.

Bibliografía

• Jaime Semprún(2007).La Nuclearización del mundo.Pepitas de Calabaza,Logroño.ISBN978-84-935704-5-3.
• Paul A. Tipler (1991).Física. Tomo II.Editorial Reverte.ISBN84-291-4357-2.
• José García Santesmases (1978).Física General.Paraninfo.ISBN84-283-0973-6.
• Federico Goded Echeverría y Vicente Serradell García (1975).Teoría de reactores y elementos de ingeniería nuclear. Tomo I.Publicaciones científicas de la JEN.ISBN84-500-6999-8.
• Kenneth S. Krane (1988).Introductory nuclear physics.John Wiley & Sons, Inc.ISBN0-471-80553-X.
• Tania Malheiros (1995).Brasiliens geheime Bombe: Das brasilianische Atomprogramm.Report-Verlag(en alemán).
• Tania Malheiros (1993).Brasil, a bomba oculta: O programa nuclear brasileiro.Gryphus(en portugués).
• Langdon Winner(1987).La ballena y el reactor: una búsqueda de los límites en la era de la alta tecnología.

Enlaces externos

• Wikiquotealberga frases célebres de o sobreEnergía nuclear.
• Wikimedia Commonsalberga una galería multimedia sobreEnergía nuclear.

Organismos reguladores

• Organismo Internacional de Energía Atómica
• Consejo de Seguridad Nuclear de España
• Comisión Nacional de Energía Atómica de Argentina
• Comisión Chilena de Energía Nuclear

Proyectos internacionales

• Proyecto Iter
• Proyecto europeo MYRRHA (Multi-purpose hYbrid Research Reactor for High-tech Applications)

Organizaciones antinucleares

• Informe del partido de los verdes europeos del estado de la industria nuclear mundial
• WISE en español. Base de datos con información útil para las campañas antinucleares de los grupos de presiónArchivadoel 12 de abril de 2008 enWayback Machine.
• Grup de Cientifics y Tècnics per una Energía No Nuclear (en catalán)
• GreenPeace: sección nuclear
• Greenpeace Argentina. Mayak: Media vida marcada por los daños de la energía nuclear
• Ecologistas en Acción

Organizaciones pronucleares

• Ecologistas a favor de la Energía Nuclear (en español)
• Foro Nuclear Español
• Jóvenes Nucleares
• Energía nuclear: el poder del átomo
• Sitio web general sobre energía nuclear
• Sociedad Nuclear Europea(en inglés)
• Yo soy nuclear

Otros

• Energía nuclear... ¿sí o no?
• Juan José Gómez Cadenas,«Epicentro. ¿Es posible un debate nuclear sin retórica?»,Revista de Libros,160, abril de 2010.
• Los usos pacíficos de la energía nuclear.8 de agosto de 2005. Biblioteca del Congreso Nacional de Chile.

• Datos:Q12739
• Multimedia:Nuclear power/Q12739
• Citas célebres:Energía nuclear