Enerxía nuclear

Núcleo dunreactor nucleardefisiónde investigaciónTRIGA

Central nuclear de Ikata,con tresreactores de auga a presión(PWR). A refrixeración realízase mediante un intercambio de auga co océano

Central nuclear de Lemoiz(España) cuxa posta en marcha foi abandonada polamoratoria nuclear.

Chámaseenerxía nuclearouenerxía atómicaa aquelaenerxíaque se obtén ao aproveitarse asreaccións nuclearesespontáneas ou provocadas polo ser humano. Con todo, este termo engloba outro significado, o aproveitamento de devandita enerxía para outros fins, tales como a obtención deenerxía eléctrica,enerxía térmicaeenerxía mecánicaa partir de reaccións atómicas, e a súaaplicación,ben sexa con fins pacíficos ou bélicos.Así, é común referirse á enerxía nuclear non só como o resultado dunha reacción senón como un concepto máis amplo que inclúe os coñecementos e técnicas que permiten a utilización desta enerxía por parte doser humano.

Estas reaccións danse nalgúnsisótoposde certos elementos químicos, sendo o máis coñecido deste tipo de enerxía afisióndouranio-235(235U), coa que funcionan osreactores nucleares.Con todo, para producir este tipo de enerxía aproveitando reaccións nucleares poden ser empregados moitos outros isótopos de varios elementos químicos, como otorio,oplutonio,oestroncioou opolonio.

Os dous sistemas cos que pode obterse enerxía nuclear de forma masiva son afisión nucleare afusión nuclear.A enerxía nuclear pode transformarse de forma descontrolada, dando lugar aoarmamento nuclear;ou controlada enreactores nuclearesnos que se produceenerxía eléctrica,enerxía mecánicaouenerxía térmica.Tanto os materiais empregados como o deseño das instalacións son completamente diferentes en cada caso.

Outra técnica, empregada principalmente en pilas de enorme duración para sistemas que requiren pouco consumo eléctrico, é a utilización dexeradores termoeléctricos de radioisótopos(GTR, ou RTG eninglés), nos que se aproveitan os distintos xeitos dedesintegraciónpara xerar electricidade en sistemas determoparesa partir da calor transferida por unhafonteradioactiva.

A enerxía desprendida neses procesos nucleares adoita aparecer en forma departículas subatómicasen movemento. Esas partículas, ao frearse na materia que as rodea, producen enerxía térmica. Esta enerxía térmica transfórmase en enerxía mecánica utilizandomotores de combustión externa,como asturbinas de vapor.Devandita enerxía mecánica pode ser empregada notransporte,por exemplo nosbuques nucleares;ou para axeración de enerxía eléctricaencentrais nucleares.

A principal característica deste tipo de enerxía é a alta calidade da enerxía que pode producirse porunidade de masade material utilizado en comparación con calquera outro tipo de enerxía coñecida polo ser humano, pero sorprende a poucaeficienciado proceso, xa que se desaproveita entre un 86% e 92% da enerxía que se libera.

Nas reaccións nucleares adóitase liberar unha grandísima cantidade de enerxía debido en parte á masa de partículas involucradas neste proceso, transfórmase directamente en enerxía. O anterior adóitase explicar baseándose na relación masa-enerxía proposta polo físicoAlbert Einstein.

Historia

As reaccións nucleares

Henri Becquereldescubridor daradioactividade.

En1896Henri Becquereldescubriu que algúns elementos químicos emitían radiacións.Tanto el comoMarie Curiee outros estudaron as súas propiedades, descubrindo que estas radiacións eran diferentes dos xa coñecidosRaios Xe que posuían propiedades distintas, denominando aos tres tipos que conseguiron descubriralfa,betaegamma.

Pronto se viu que todas elas proviñan donúcleo atómicoque describiraRutherforden1911.

Co descubrimento doneutrino,partícula descrita teoricamente en1930por Pauli pero non detectada ata1956porClyde Cowane os seus colaboradores, púidose explicar a radiación beta.

En1932James Chadwickdescubriu a existencia doneutrónqueWolfgang Paulipredixera en1930,e inmediatamente despoisEnrico Fermidescubriu que certas radiacións emitidas en fenómenos non moi comúns de desintegración eran en realidade estes neutróns.

Durante os anos 1930, Enrico Fermi e os seus colaboradores bombardearon con neutróns máis de 60 elementos, entre eles o²³⁵U,producindo as primeiras fisións nucleares artificiais. En1938,enAlemaña,Lise Meitner,Otto HahneFritz Strassmannverificaron os experimentos de Fermi e en1939demostraron que parte dos produtos que aparecían ao levar a cabo estes experimentos con uranio eran núcleos debario.Moi pronto chegaron á conclusión de que eran resultado da división dos núcleos do uranio. Levouse a cabo o descubrimento dafisión.

EnFrancia,Joliot Curiedescubriu que ademais do bario, emitíanse neutróns secundarios nesa reacción, facendo factible areacción en cadea.

Tamén en 1932Mark Oliphantteorizou sobre afusiónde núcleos lixeiros (dehidróxeno), describindo pouco despoisHans Betheo funcionamento das estrelas baseándose neste mecanismo.

Véxase tamén:Radioactividade,forza nuclearereacción nuclear.

A fisión nuclear

Artigo principal:Fisión nuclear.

De esquerda a dereita.:Robert Oppenheimer,Enrico FermieErnest Lawrence.

En física nuclear, a fisión é unha reacción nuclear, o que significa que ten lugar no núcleo atómico. A fisión ocorre cando un núcleo pesado se divide en dous ou máis núcleos pequenos, ademais dalgúns subprodutos como neutróns libres, fotóns (xeralmente raios gamma) e outros fragmentos do núcleo como partículas alfa (núcleos de helio) e beta (electróns e positróns de alta enerxía).

Durante asegunda guerra mundial,o Departamento de Desenvolvemento de Armamento daAlemaña Nazidesenvolveu un proxecto de enerxía nuclear (Proxecto Uranio) con vistas á produción dun artefacto explosivo nuclear.Albert Einstein,en1939,asinou unha carta ao presidenteFranklin Delano RooseveltdosEstados Unidos,escrita porLeó Szilárd,na que se previña sobre este feito.

O2 de decembrode1942,como parte doproxecto Manhattandirixido porRobert Oppenheimer,construiose o primeiroreactordo mundo feito polo ser humano (existiu un reactor natural enOklo,Gabón,naÁfrica Occidental): oChicago Pile-1(CP-1).

Como parte do mesmo programa militar, construiose un reactor moito maior enHanford,destinado á produción deplutonio,e ao mesmo tempo, un proxecto de enriquecemento de uranio en cascada. O 16 de xullo de1945foi probada a primeirabomba nuclear(nome en claveTrinity) no deserto deAlamogordo.Nesta proba levouse a cabo unha explosión equivalente a 19.000.000 dekgdeTNT(19quilotóns), unha potencia xamais observada anteriormente en ningún outroexplosivo.Ambos proxectos desenvolvidos finalizaron coa construción de dúas bombas, unha de uranio enriquecido e unha de plutonio (Little BoyeFat Man) que foron lanzadas sobre as cidades xaponesas deHiroshima(6 de agostode 1945) eNagasaki(9 de agosto de 1945) respectivamente. O 15 de agosto de 1945 acabou a segunda guerra mundial no Pacífico coa rendición do Xapón. Pola súa banda o programa de armamento nuclear alemán (liderado este porWerner Heisenberg), non alcanzou a súa meta antes da rendición deAlemañao 8 de maio de 1945.

Posteriormente leváronse a cabo programas nucleares naUnión Soviética(primeira proba dunha bomba de fisión o 29 de agosto de1949),FranciaeGran Bretaña,comezando a carreira armamentística en ambos os bloques creados trala guerra, alcanzando límites de potencia destrutiva nunca antes sospeitada polo ser humano (cada bando podía derrotar e destruír varias veces a todos os seus inimigos).

Xa na década de 1940, o almiranteHyman Rickoverpropuxo a construción de reactores de fisión non encamiñados esta vez á fabricación de material parabombas,senón que á xeración deelectricidade.Pensouse, acertadamente, que estes reactores poderían constituír un gran substituto dodiéselnos submarinos. Construiose o primeiro reactor de proba en1953,botando o primeiro submarino nuclear (oUSS Nautilus(SSN-571)) o 17 de xaneiro de1955ás 11:00. O Departamento de Defensa estadounidense propuxo o deseño e construción dun reactor nuclear utilizable para a xeración eléctrica e propulsión nos submarinos a dúas empresas distintas norteamericanas:General ElectriceWestinghouse.Estas empresas desenvolveron os reactores de auga lixeira tipoBWRePWRrespectivamente.

Estes reactores utilizáronse para apropulsiónde buques, tanto de uso militar (submarinos, cruceiros, portaavións...) como civil (quebraxeosecargueiros), onde presentan potencia, redución do tamaño dos motores, redución no almacenamento de combustible e autonomía, non mellorados por ningunha outra técnica existente.

Os mesmos deseños de reactores de fisión trasladáronse a deseños comerciais para a xeración de electricidade. Os únicos cambios producidos no deseño co transcurso do tempo foron un aumento das medidas de seguridade, unha maior eficiencia termodinámica, un aumento de potencia e o uso das novas tecnoloxías que foron aparecendo.

Entre 1950 e 1960Canadádesenvolveu un novo tipo, baseado no PWR, que utilizabaauga pesadacomomoderadoreuranio naturalcomo combustible, en lugar douranio enriquecidoutilizado polos deseños de auga lixeira. Outros deseños de reactores para o seu uso comercial utilizaron carbono (Magnox,AGR,RBMKouPBRentre outros) ousales fundidos(litio ou berilio entre outros) como moderador. Este último tipo de reactor foi parte do deseño do primeiro avión bombardeiro (1954) con propulsión nuclear (o US Aircraft Reactor Experiment ou ARE). Este deseño abandonouse tralo desenvolvemento dosmísiles balísticos intercontinentais(ICBM).

Outros países (Francia,Italia,entre outros) desenvolveron os seus propios deseños de reactores nucleares para a xeración eléctrica comercial.

En1946construiose o primeiroreactor de neutróns rápidos(Clementine) nos Álamos, con plutonio como combustible emercuriocomo refrigerante. En1951construiose oEBR-I,o primeiro reactor rápido co que se conseguiu xerar electricidade. En1996,oSuperfénixou SPX, foi o reactor rápido de maior potencia construído ata o momento (1200 MWe). Neste tipo de reactores pódense utilizar como combustible os radioisótopos do plutonio, otorioe o uranio que non son fisibles conneutróns térmicos(lentos).

Na década dos 50Ernest Lawrencepropuxo a posibilidade de utilizar reactores nucleares con xeometrías inferiores á criticidade (reactores subcríticoscuxo combustible podería ser o torio), nos que a reacción sería soportada por unha achega externa de neutróns. En1993Carlo Rubbiapropón utilizar unha instalación deespalaciónna que unaceleradordeprotónsproducise os neutróns necesarios para manter a instalación. A este tipo de sistemas coñéceselles comoSistemas asistidos por aceleradores(en inglésAccelerator driven systems,ADSas súas siglas en inglés), e prevese que a primeira planta deste tipo (MYRRHA) comece o seu funcionamento entre o2016e o2018no centro de Mol (Bélxica).

Vantaxes

A enerxía nuclear de fisión ten como principal vantaxe que non utiliza combustibles fósiles, polo que non emitegases de efecto invernadoiro.Isto é importante debido aoprotocolo de Kyoto,que obriga a pagar unha taxa por cada tonelada de CO₂emitido. Ademais, xera gran cantidade de enerxía consumindo moi pouco combustible e as reservas de combustible nuclear son suficientes para abastecer a todo o planeta durante máis de 100 anos.

Desventaxes

Ademais de producir unha gran cantidade de enerxía eléctrica, tamén produce residuos nucleares que hai que alberxar en depósitos illados e controlados durante longo tempo. As emisións contaminantes indirectas derivadas da construción das centrais nucleares, da fabricación do combustible e da xestión posterior dos residuos radioactivos son moi perigosas e poderían chegar a ter unha gran repercusión no medio ambiente e nos seres vivos se son liberados ou vertidos á atmosfera, chegando ata a producir a morte, e condenar ás xeracións vindeiras con mutacións.

Estes residuos tardan séculos en descompoñerse e polo que o seu almacenamento debe asegurar protección e que non contaminen durante todo este tempo. Un dos procedementos máis utilizados é o seu almacenamiento en contedores cerámicos, pero agora estase propoñendo o seu almacenamento en covas profundas, os chamados almacenamentos xeolóxicos profundos (AGP) onde o obxectivo final é que queden enterrados con seguridade durante varios miles de anos aínda que isto non pode garantirse.

Os residuos máis perigosos xerados na fisión nuclear son as barras de combustible, nas que se xeran isótopos que poden permanecer radioactivos ao longo de miles de anos como o curio, o neptunio ou o americio. Tamén se xeran residuos de alta actividade que deben ser vixiados, pero que duran poucos anos e poden ser controlados.

Outra gran preocupación é que rouben estes residuos e os utilicen como combustible para bombas atómicas ou armas nucleares, xa que nos seus inicios a enerxía nuclear utilizouse para fins bélicos. Por iso estas instalacións posúen niveis de seguridade máis elevados que o resto de instalacións industriais.

A fusión nuclear

Artigos principais:Fusión nuclear,Ciclo CNOeCadea protón-protón.

En física nuclear, a fusión nuclear é o proceso polo cal varios núcleos atómicos de carga similar únense e forman un núcleo máis pesado. Simultaneamente libérase ou absorbe unha cantidade enorme de enerxía, que permite á materia entrar nun estadoplasmático. A fusión de dous núcleos de menor masa que o ferro (neste elemento e no níquel ocorre a maior enerxía de enlace nuclear por nucleón) libera enerxía en xeral. Pola contra, a fusión de núcleos máis pesados que o ferro absorbe enerxía. No proceso inverso, a fisión nuclear, estes fenómenos suceden en sentidos opostos. Ata o principio do século XX non se entendía a forma en que se xeraba enerxía no interior das estrelas necesaria para contrarrestar o colapso gravitatorio destas. Non existía reacción química coa potencia suficiente e a fisión tampouco era capaz. En 1938Hans Bethelogrou explicalo mediante reaccións de fusión, cociclo CNO,para estrelas moi pesadas. Posteriormente descubriuse ociclo protón-protónpara estrelas de menor masa, como oSol.

Nosanos 1940,como parte doproxecto Manhattan,estudouse a posibilidade do uso dafusiónna bomba nuclear. En1942investigouse a posibilidade do uso dunha reacción de fisión como método de ignición para a principal reacción de fusión, sabendo que podería resultar nunha potencia miles de veces superior. Con todo, tras finalizar asegunda guerra mundial,o desenvolvemento dunha bomba destas características non foi considerado primordial ata a explosión da primeirabomba atómicarusa en 1949,RDS-1ouJoe-1.Este evento provocou que en1950o presidente estadounidenseHarry S. Trumananunciase o comezo dun proxecto que desenvolvese a bomba de hidróxeno. O 1 de novembro de1952probouse aprimeira bomba nuclear(nome en claveMike,parte daOperación Ivyou Hedra), cunha potencia equivalente a 10 400 000 000 dekgde TNT (10,4megatóns). O 12 de agosto de1953aUnión Soviéticarealiza a súa primeira proba cun artefacto termonuclear (a súa potencia alcanzou algúns centenares de quilotóns).

As condicións necesarias para alcanzar a ignición dun reactor de fusión controlado, con todo, non foron derivadas ata1955porJohn D. Lawson.Oscriterios de Lawsondefiniron as condicións mínimas necesarias detempo,densidadeetemperaturaque debía alcanzar o combustible nuclear (núcleos de hidróxeno) para que a reacción de fusión se mantivese. Con todo, xa en1946patentouse o primeiro deseño de reactor termonuclear.En1951comezou o programa de fusión dos Estados Unidos, sobre a base dostellarator.No mesmo ano comezou na Unión Soviética o desenvolvemento do primeiroTokamak,dando lugar aos seus primeiros experimentos en1956.Este último deseño logrou en1968a primeira reacción termonuclear cuasi-estacionaria xamais conseguida, demostrándose que era o deseño máis eficiente conseguido ata a época.ITER,o deseño internacional que ten data de comezo das súas operacións no ano2016e que intentará resolver os problemas existentes para conseguir un reactor de fusión de confinamento magnético, utiliza este deseño.

Cápsula de combustible preparada para o reactor de fusión deconfinamento inercialNIF,recheo dedeuterioetricio.

En1962propúxose outra técnica para alcanzar a fusión baseada no uso deláserespara conseguir unha implosión en pequenas cápsulas cheas de combustible nuclear (de novo núcleos de hidróxeno). Con todo ata a década dos 70 non se desenvolveron láseres suficientemente potentes. Os seus inconvenientes prácticos fixeron desta unha opción secundaria para alcanzar o obxectivo dun reactor de fusión. Con todo, debido aos tratados internacionais que prohibían a realización de ensaios nucleares na atmosfera, esta opción (basicamente microexplosións termonucleares) converteuse nun excelente laboratorio de ensaios para os militares, co que conseguiu financiamento para a súa continuación. Así, construíronse oNational Ignition Facility(NIF, con inicio das súas probas programadas para2010) estadounidense e oLaser Mégajoulefrancés (LMJ), que perseguen o mesmo obxectivo de conseguir un dispositivo que consiga manter a reacción de fusión a partir deste deseño. Ningún dos proxectos de investigación actualmente en marcha predixen unha ganancia de enerxía significativa, polo que está previsto un proxecto posterior que puidese dar lugar aos primeiros reactores de fusión comerciais (DEMOconconfinamento magnéticoeHiPERconconfinamento inercial).

Outros sistemas de enerxía nuclear

Artigo principal:Xerador termoeléctrico de radioisótopos.

RTG da misiónNew Horizons(no centro abaixo, en negro), misión non tripulada aPlutón.A sonda foi lanzada en xaneiro de2006e alcanzou o seu obxectivo o 14 de xullo de2015.

Coa invención dapila químicaporVoltaen1800deu lugar a unha forma compacta e portátil de xeración de enerxía. A partir de entón foi incesante a procura de sistemas que foran aínda menores e que tivesen unha maior capacidade e duración. Este tipo de pilas, con poucas variacións, foron suficientes para moitas aplicacións diarias ata os nosos tempos. Con todo, no século XX xurdiron novas necesidades, a causa principalmente dos programas espaciais. Precisábanse entón sistemas que tivesen unha duración elevada para consumos eléctricos moderados e un mantemento nulo. Xurdiron varias solucións (como ospaneis solaresou ascélulas de combustible), pero segundo se incrementaban as necesidades enerxéticas e aparecían novos problemas (as placas solares son inútiles en ausencia de luz solar), comezouse a estudar a posibilidade de utilizar aenerxíanuclear nestes programas.

A mediados da década dos 50 comezaron enEstados Unidosas primeiras investigacións encamiñadas a estudar as aplicacións nucleares no espazo. Destas xurdiron os primeiros prototipos dosxeradores termoeléctricos de radioisótopos(RTG). Estes dispositivos mostraron ser unha alternativa sumamente interesante tanto nas aplicacións espaciais como en aplicacións terrestres específicas. Nestes artefactos aprovéitanse as desintegraciónsalfaebeta,convertendo toda ou gran parte da enerxía cinética das partículas emitidas polo núcleo en calor. Esta calor é despois transformada enelectricidadeaproveitando oefecto Seebeckmediante uns termopares, conseguindo eficiencias aceptables (entre un 5 e un 40 % é o habitual). Os radioisótopos habitualmente utilizados son²¹⁰Po,²⁴⁴Cm,²³⁸Pu,²⁴¹Am,entre outros 30 que se consideraron útiles. Estes dispositivos conseguen capacidades de almacenamento de enerxía catro ordes de magnitude superiores (10 000 veces maior) ás baterías convencionais.

En1959mostrouse ao público o primeiroxerador atómico.En1961lanzouse ao espazo o primeiroRTG,a bordo doSNAP 3.Esta batería nuclear, que alimentaba a un satélite da armada norteamericana cunha potencia de 2,7W,mantivo o seu funcionamento ininterrompido durante 15 anos.

Estes sistemas utilizáronse e séguense usando en programas espaciais moi coñecidos (Pioneer,Voyager,Galileo,ApoloeUlisesentre outros). Así por exemplo en1972e1973lanzáronse os Pioneer 10 e 11, converténdose o primeiro deles no primeiro obxecto humano da historia que abandonaba osistema solar.Ambos satélites continuaron funcionando ata 17 anos logo dos seus lanzamentos.

A misión Ulises (misión conxuntaESA-NASA) enviouse en1990para estudar oSol,sendo a primeira vez que un satélite cruzaba ambos polos solares. Para poder facelo houbo que enviar o satélite nunha órbita ao redor deXúpiter.Debido á duración do RTG que mantén o seu funcionamento prolongouse a misión de modo que se puidese volver realizar outra viaxe ao redor do Sol. Aínda que parecese estraño que este satélite non usase paneis solares en lugar dun RTG, pode entenderse ao comparar os seus pesos (un panel de 544kgxeraba a mesma potencia que un RTG de 56). Naqueles anos non existía un foguete que puidese enviar á súa órbita ao satélite con ese peso extra.

Estas baterías non só proporcionan electricidade, senón que nalgúns casos, a propia calor xerada utilízase para evitar a conxelación dos satélites en viaxes nos que a calor doSolnon é suficiente, por exemplo en viaxes fose do sistema solar ou en misións aos polos daLúa.

En1966instalouse o primeiro RTG terrestre para o faro da illa deshabitadaFairway Rock,permanecendo en funcionamento ata1995,momento no que se desmantelou. Outros moitos faros situados en zonas inaccesibles próximas aos polos (sobre todo na Unión Soviética), utilizaron estes sistemas. Sábese que a Unión Soviética fabricou máis de 1000 unidades para estes usos.

Unha aplicación que se deu a estes sistemas foi o seu uso comomarcapasos.Ata os anos 70 usábase para estas aplicacións baterías demercurio-cinc,que tiñan unha duración duns 3 anos. Nesta década introducíronse as baterías nucleares para aumentar a lonxevidade destes artefactos, posibilitando que un paciente novo tivese implantado só un destes artefactos para toda a súa vida. Nosanos 1960,a empresaMedtroniccontactou conAlcatelpara deseñar unha batería nuclear, implantando o primeiro marcapasos alimentado cun RTG nun paciente en1970enParís.Varios fabricantes construíron os seus propios deseños, pero a mediados desta década foron desprazados polas novas baterías delitio,que posuían vidas duns 10 anos (considerado suficiente polos médicos aínda que debese substituírse varias veces ata a morte do paciente). A mediados dosanos 1980detívose o uso destes implantes, aínda que aínda existen persoas que seguen portando este tipo de dispositivos.

Fundamentos físicos

Artigo principal:Física nuclear.

Representación doperíodo de semidesintegracióndosnúcleoscoñecidos. No eixo de abscisas represéntase o número de protóns (Z) mentres que no eixo de ordenadas o número de neutróns (N). Osisótoposmarcados en vermello son aqueles que poden considerarse estables.

SirJames Chadwickdescubriu oneutrónen 1932, ano que pode considerarse como o inicio da física nuclear moderna.

O modelo deátomoproposto porNiels Bohrconsiste nunnúcleocentral composto por partículas que concentran a maioría da masa do átomo (neutróns eprotóns), rodeado por varias capas de partículas cargadas case sen masa (electróns). Mentres que o tamaño do átomo resulta ser da orde doángstrom(10⁻¹⁰m), o núcleo pode medirse enfermis(10⁻¹⁵m), ou sexa, o núcleo é 100.000 veces menor que o átomo.

Todos os átomosneutros(sen carga eléctrica) posúen o mesmo número de electróns que de protóns. Un elemento químico pódese identificar de forma inequívoca polo número de protóns que posúe o seu núcleo; este número chámasenúmero atómico(Z). O número de neutróns (N) con todo pode variar para un mesmo elemento. Para valores baixos de Z ese número tende a ser moi parecido ao de protóns, pero ao aumentar Z necesítanse máis neutróns para manter a estabilidade do núcleo. Aos átomos aos que só lles distingue o número de neutróns no seu núcleo (en definitiva, a súa masa), chámasellesisótoposdun mesmo elemento. Amasa atómicadun isótopo vén dada por$A=Z+N$u,o número de protóns máis o de neutróns (nucleóns) que posúe no seu núcleo.

Para denominar un isótopo adoita utilizarse a letra que indica o elemento químico, cun superíndice que é a masa atómica e un subíndice que é o número atómico (p. ex. o isótopo 238 douranioescribiríase como$_{92}^{238}\!U$).

O núcleo

Enerxía de ligaduramedia por nucleón dos distintos elementos atómicos en función da súa masa atómica. Na gráfica pode contemplarse como os núcleos moi lixeiros posúen menos enerxía de ligadura que os que son un pouco máis pesados (a parte esquerda da gráfica). Esta característica é a base da liberación da enerxía na fusión. E, ao contrario, na parte da dereita vese que os elementos moi pesados teñen menorenerxía de ligaduraque os que son algo máis lixeiros. Esta é a base da emisión de enerxía por fisión. Como se ve, é moito maior a diferenza na parte da esquerda (fusión) que na da dereita (fisión).

Artigo principal:Núcleo atómico.

Os neutróns e protóns que forman os núcleos teñen unha masa aproximada de 1u,estando o protón cargado eléctricamente con carga positiva +1, mentres que o neutrón non posúecarga eléctrica.Tendo en conta unicamente a existencia das forzaselectromagnéticaegravitatoria,o núcleo sería inestable (xa que as partículas de igual carga repeleríanse desfacendo o núcleo), facendo imposible a existencia da materia. Por este motivo (xa que é obvio que a materia existe) foi necesario engadir aos modelos unha terceira forza: aforza forte(hoxe en díaforza nuclear forte residual). Esta forza debía ter como características, entre outras, que era moi intensa, atractiva a distancias moi curtas (só no interior dos núcleos), sendo repulsiva a distancias máis curtas (do tamaño dunnucleón), que era central en certo rango de distancias, que dependía dospine que non dependía do tipo denucleón(neutróns ou protóns) sobre o que actuaba. En1935,Hideki Yukawadeu unha primeira solución a esta nova forza establecendo ahipóteseda existencia dunha nova partícula: omesón.O máis lixeiro dos mesóns, opion,é o responsable da maior parte dopotencialentre nucleóns de longo alcance (1 rfm). Opotencial de Yukawa(potencial OPEP) que describe adecuadamente a interacción para dúas partículas de spins$s_{1}$e$s_{2}$respectivamente, pódese escribir como:

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

Outros experimentos que se realizaron sobre os núcleos indicaron que a súa forma debía de ser aproximadamente esférica de radio$R=1,5\cdot A^{1/3}$fm,sendoAa masa atómica, é dicir, a suma de neutróns e protóns. Isto esixe ademais que a densidade dos núcleos sexa a mesma ($V\ Alpha R^{3}\ Alpha A$,é dicir o volume é proporcional a A. Como a densidade áchase dividindo a masa polo volume$\rho ={\frac {A}{V}}=cte$). Esta característica levou á equiparación dos núcleos cun líquido, e por tanto aomodelo da gota líquida,fundamental na comprensión dafisión dos núcleos.

A masa dun núcleo, con todo, non resulta exactamente da suma dos seus nucleóns. Tal e como demostrouAlbert Einstein,a enerxía que mantén unidos a eses nucleóns é a diferenza entre a masa do núcleo e a dos seus elementos, e vén dada pola ecuación$E=m\cdot c^{2}$.Así,pesandoos distintos átomos por unha banda, e os seus compoñentes por outra, pode determinarse a enerxía media por nucleón que mantén unidos aos diferentes núcleos.

Véxase tamén:neutróneprotón.

Fisión

Artigo principal:Fisión nuclear.

Distribución típica das masas dos produtos de fisión. A gráfica representa o caso do uranio 235.

Esquema do fenómeno da fisión do²³⁵U. Un neutrón de baixa velocidade (térmico) impacta nun núcleo de uranio desestabilizándoo. Este divídese en dúas partes e ademais emite unha media de 2.5 neutróns por fisión.

Enrico Fermi, tras o descubrimento do neutrón, realizou unha serie de experimentos nos que bombardeaba distintos núcleos con estas novas partículas. Nestes experimentos observou que cando utilizaba neutróns deenerxíasbaixas, en ocasións o neutrón era absorbido emitíndosefotóns.

Para pescudar o comportamento desta reacción repetiu o experimento sistematicamente en todos os elementos datáboa periódica.Así descubriu novos elementos radioactivos, pero ao chegar aouranioobtivo resultados distintos.Lise Meitner,Otto HahneFritz Strassmannconseguiron explicar o novo fenómeno ao supoñer que o núcleo de uranio ao capturar o neutrón escindíase en dúas partes de masas aproximadamente iguais. De feito detectaronbario,de masa aproximadamente a metade que a do uranio. Posteriormente pescudouse que esa escisión (ou fisión) non se daba en todos os isótopos do uranio, senón só no²³⁵U. E máis tarde aínda, sóubose que esa escisión podía dar lugar a moitísimos elementos distintos, cuxadistribuciónde aparición é moi típica (similar á dobre chepa dun camelo).

Na fisión dun núcleo de uranio, non só aparecen dous núcleos máis lixeiros resultado da división do de uranio, senón que ademais emítense 2 ou 3 (de media 2,5 no caso do²³⁵U) neutróns a unha alta velocidade (enerxía). Como o uranio é un núcleo pesado non se cumpre a relación N=Z (igual número de protóns que de neutróns) que si se cumpre para os elementos máis lixeiros, polo que os produtos da fisión posúen un exceso de neutróns. Este exceso de neutróns fai inestables (radioactivos) a eses produtos de fisión, que alcanzan a estabilidade ao desintegrarse os neutróns excedentes pordesintegración betaxeralmente. A fisión do²³⁵U pode producirse en máis de 40 formas diferentes, orixinándose por tanto máis de 80 produtos de fisión distintos, que á súa vez se desintegran formandocadeas de desintegración,polo que finalmente aparecen preto de 200 elementos a partir da fisión do uranio.

A enerxía desprendida na fisión de cada núcleo do²³⁵U é en media de 200MeV.Os minerais explotados para a extracción do uranio adoitan posuír contidos de ao redor de 1 gramo de uranio por kg de mineral (apechblendapor exemplo). Como o contido do²³⁵U no uranio natural é dun 0,7 %, obtense que por cada kg de mineral extraído teriamos$1,8\cdot 10^{19}$átomos de²³⁵U. Se fisionamos todos eses átomos (1 gramo de uranio) obteriamos teoricamente unha enerxía liberada de$3,6\cdot 10^{27}eV=5,8\cdot 10^{8}J$por gramo. En comparación, pola combustión de 1 kg de carbón da mellor calidade (antracita) obtense unha enerxía duns$4\cdot 10^{7}J$,é dicir, necesítanse máis de 10toneladasdeantracita(o tipo de carbón con maiorpoder calorífico) para obter a mesma enerxía contida en 1 kg de uranio natural.

A aparición dos 2,5 neutróns por cada fisión posibilita a idea de levar a cabo unhareacción en cadea,e lograse facer que deses 2,5 polo menos un neutrón consiga fisionar un novo núcleo de uranio. A idea da reacción en cadea é común noutros procesos químicos. Os neutróns emitidos pola fisión non son útiles inmediatamente se o que se quere é controlar a reacción, senón que hai que frealos (moderalos) ata unha velocidade adecuada. Isto conséguese rodeando os átomos por outro elemento cun Z pequeno, por exemplohidróxeno,carbonooulitio,material denominadomoderador.

Outros átomos que poden fisionar con neutróns lentos son o²³³U ou o²³⁹Pu.Con todo tamén é posible a fisión conneutróns rápidos(de enerxías altas), por exemplo o²³⁸U (140 veces máis abundante que o²³⁵U) ou o²³²Th(400 veces máis abundante que o²³⁵U).

A teoría elemental da fisión proporcionáronaBohreWheeler,utilizando un modelo segundo o cal os núcleos dos átomos compórtanse como pingas líquidas.

A fisión pódese conseguir tamén mediantepartículas alfa,protónsoudeuteróns.

Fusión

Artigo principal:Fusión nuclear.

Proceso defusiónentre unnúcleodedeuterioe un detricio.É a opción máis adecuada para ser levada a cabo nunreactor nuclearde fusión.

Así como a fisión é un fenómeno que aparece na cortiza terrestre de forma natural (aínda que cunha frecuencia pequena), a fusión é absolutamente artificial na nosa contorna (aínda que é común no núcleo das estrelas). Con todo, esta enerxía posúe vantaxes con respecto á fisión. Por unha banda o combustible é abundante e fácil de conseguir, e por outra banda, os seus produtos son elementos estables, lixeiros e non radioactivos.

Na fusión, ao contrario que na fisión onde se dividen os núcleos, a reacción consiste na unión de dous ou máis núcleos lixeiros. Esta unión dá lugar a un núcleo máis pesado que os usados inicialmente e a neutróns. A fusión conseguiuse antes mesmo de comprender completamente as condicións que se necesitaban no desenvolvemento de armas, limitándose a conseguir condicións extremas de presión e temperatura usando unha bomba de fisión como elemento iniciador (Proceso Teller-Ulam). Pero non é ata que Lawson define uns criterios de tempo, densidade e temperatura mínimoscando se comeza a comprender o funcionamento da fusión.

Aínda que nasestrelasa fusión dáse entre unha variedade de elementos químicos, o elemento co que é máis sinxelo alcanzala é o hidróxeno. O hidróxeno posúe tres isótopos: o hidróxeno común (${}_{1}^{1}\!H$), odeuterio(${}_{1}^{2}\!H$) e otricio(${}_{1}^{3}\!H$). Isto é así porque a fusión require que se venza a repulsión electrostática que experimentan os núcleos ao unirse, polo que a menor carga eléctrica, menor será esta. Ademais, a maior cantidade de neutróns, máis pesado será o núcleo resultante (máis arriba estaremos na gráfica das enerxías de ligadura), co que maior será a enerxía liberada na reacción.

Unha reacción particularmente interesante é a fusión dedeuterioetricio:

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

Nesta reacción libéranse 17,6 MeV por fusión, máis que no resto de combinacións con isótopos de hidróxeno. Ademais esta reacción proporciona un neutrón moi enerxético que pode aproveitarse para xerar combustible adicional para reaccións posteriores de fusión, utilizando litio, por exemplo. A enerxía liberada por gramo con esta reacción é case 1.000 veces maior que a lograda na fisión de 1 gramo de uranio natural (unhas 7 veces superior se fose un gramo de²³⁵U puro).

Para vencer a repulsión electrostática, é necesario que os núcleos a fusionar alcancen unha enerxía cinética de aproximadamente 10keV.Esta enerxía obtense mediante un intenso quecemento (igual que nas estrelas, onde se alcanzan temperaturas de 10⁸K), que implica un movemento dos átomos igual de intenso. Ademais desa velocidade para vencer a repulsión electrostática, a probabilidade de que se produza a fusión debe ser elevada para que a reacción suceda. Isto implica que se deben posuír suficientes átomos con enerxía suficiente durante un tempo mínimo. O criterio de Lawson define que o produto entre a densidade de núcleos con esa enerxía polo tempo durante o que deben permanecer nese estado debe ser$n\cdot \tau =10^{14}s\cdot nucleos\cdot cm^{-3}$.

Os dous métodos en desenvolvemento para aproveitar de forma útil (non bélica) a enerxía desprendida nesta reacción son oconfinamento magnéticoe oconfinamento inercial(con fotóns que proveñen de láser ou partículas que proveñen deaceleradores).

Desintegración alfa

Artigo principal:Desintegración alfa.

Representación da emisión dunhapartícula alfapor un núcleo.

Esta reacción é unha forma de fisión espontánea, na que un núcleo pesado emite unha partícula alfa (α) cunha enerxía típica duns 5 MeV. Unha partícula α é un núcleo dehelio,constituído por dous protóns e dous neutróns. Na súa emisión o núcleo cambia, polo que o elemento químico que sofre este tipo de desintegración muta noutro distinto. Unha reacción natural típica é a seguinte:

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

Na que un átomo de²³⁸U transfórmase noutro de²³⁴Th.

Foi en1928candoGeorge Gamowdeu unha explicación teórica á emisión destas partículas. Para iso supuxo que a partícula alfa convivía no interior do núcleo co resto dos nucleóns, dunha forma case independente. Porefecto túnelnalgunhas ocasións esas partículas superan o pozo de potencial que crea o núcleo, separándose del a unha velocidade dun 5 % davelocidade da luz.

Desintegración beta

Artigo principal:desintegración beta.

Representación dunhapartícula betaemitida por un núcleo.

Existen dous modos de desintegración beta. No tipo β⁻aforza débilconverte unneutrón(n⁰) nunprotón(p⁺) e ao mesmo tempo emite un electrón (e⁻) e unantineutrino(${\bar {\nu }}_{e}$):

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

No tipo β⁺unprotóntransfórmase nunneutrónemitindo unpositrón(e⁺) e unneutrino($\nu _{e}$):

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

Con todo, este último modo non se presenta de forma illada, senón que necesita unha achega de enerxía.

A desintegración beta fai cambiar ao elemento químico que a sofre. Por exemplo, na desintegración β⁻o elemento transfórmase noutro cun protón (e un electrón) máis. Así na desintegración do¹³⁷Cs por β⁻;

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

En1934,Enrico Fermiconseguiu crear un modelo desta desintegración que respondía correctamente á súa fenomenoloxía.

Véxase tamén:neutrinoecaptura electrónica.

Tecnoloxía nuclear

Armas nucleares

Unha arma é todo instrumento, medio ou máquina que se destina a atacar ou a defenderse.Segundo tal definición, existen dúas categorías de armas nucleares:

1. Aquelas que utilizan a enerxía nuclear de forma directa para o ataque ou a defensa, é dicir, os explosivos que usan a fisión ou a fusión.
2. Aquelas que utilizan a enerxía nuclear para a súa propulsión, podendo á súa vez utilizar ou non munición que utilice a enerxía nuclear para a súa detonación. Nesta categoría pódense citar os buques de guerra de propulsión nuclear (cruceiros,portaavións,submarinos,bombardeiros,etc.).

Véxase tamén:Arma nuclearepropulsión nuclear.

Bomba atómica

Artigo principal:Bomba atómica.

Existen dúas formas básicas de utilizar a enerxía nuclear desprendida porreacciónsen cadea descontroladas de forma explosiva: a fisión e a fusión.

Bomba de fisión

Métodos utilizados para crear unhamasa críticado elemento físil empregado na bomba de fisión.

O16 de xullode1945produciuse a primeira explosión dunha bomba de fisión (Proba Trinity) creada polo ser humano.

Existen dous tipos básicos de bombas de fisión: utilizandouranioaltamente enriquecido (enriquecemento superior ao 90 % no²³⁵U) ou utilizandoplutonio.Ambos os tipos fundaméntanse nunha reacción defisiónen cadea descontrolada e só empregáronse nun ataque real enHiroshimaeNagasaki,ao final dasegunda guerra mundial.

Para que este tipo de bombas funcionen é necesario utilizar unha cantidade do elemento utilizado superior ámasa crítica.Supoñendo unha riqueza no elemento do 100 %, iso supoñen 52kgde²³⁵U ou 10 kg de²³⁹Pu. Para o seu funcionamento créanse dúas ou máis partes subcríticas que se unen mediante unexplosivoquímico convencional de forma que se supere a masa crítica.

Os dous problemas básicos que se deberon resolver para crear este tipo de bombas foron:

• Xerar suficiente cantidade do elemento físil a utilizar, xa sexauranio enriquecidoouplutonio puro.
• Alcanzar un deseño no que o material utilizado na bomba non sexa destruído pola primeira explosión antes de alcanzar a criticidade.

O rango de potencia destas bombas sitúase entre aproximadamente o equivalente a unha tonelada deTNTata os 500.000quilotóns.

Bomba de fusión

Deseño básico Teller-Ullam

Tras o primeiro ensaio exitoso dunha bomba de fisión pola Unión Soviética en1949desenvolveuse unha segunda xeración de bombas nucleares que utilizaban a fusión. Chamoullabomba termonuclear,bomba Houbomba de hidróxeno.Este tipo de bomba non se utilizou nunca contra ningún obxectivo real. O chamado deseño Teller- Ullam (ou segredo da bomba H) separa ambas as explosións en dúas fases.

Este tipo de bombas poden ser miles de veces máis potentes que as de fisión. En teoría non existe un límite á potencia destas bombas, sendo a de maior potencia explotada abomba do Tsar,dunha potencia superior aos 50megatóns.

As bombas de hidróxeno utilizan unha bomba primaria de fisión que xera as condicións de presión e temperatura necesarias para comezar a reacción de fusión de núcleos de hidróxeno. Os únicos produtos radioactivos que xeran estas bombas son os producidos na explosión primaria de fisión, polo que ás veces chamasellebomba nuclear limpa.O extremo desta característica son as chamadasbombas de neutrónsoubomba N,que minimizan a bomba de fisión primaria, logrando un mínimo de produtos de fisión. Estas bombas ademais deseñáronse de tal modo que a maior cantidade de enerxía liberada sexa en forma de neutróns, co que a súa potencia explosiva é a décima parte que unha bomba de fisión. Foron concibidas como armas antitanque, xa que ao penetrar os neutróns no interior dos mesmos, matan os seus ocupantes polas radiacións.

Véxase tamén:Proceso Teller-Ulam.

Buques militares de propulsión nuclear

Durante a segunda guerra mundial comprobouse que osubmarinopodía ser unha arma decisiva, pero posuía un grave problema: a súa necesidade de emerxer tras curtos períodos para obter aire para a combustión dodiéselen que se baseaban os seus motores (a invención dosnorkelmellorou algo o problema, pero non o solucionou). O AlmiranteHyman G. Rickoverfoi o primeiro que pensou que a enerxía nuclear podería axudar con este problema.

USS Enterprise(CVN-65) xunto con outros buques de apoio de propulsión nuclear (un cruceiro e un destrutor) no Mediterráneo. A tripulación forma na súa cuberta a famosa fórmula deEinsteinE=mc² sobre a equivalencia masa-enerxía.

Os desenvolvementos dosreactores nuclearespermitiron un novo tipo de motor con vantaxes fundamentais:

1. Non precisa aire para o funcionamento do motor, xa que non se basea na combustión.
2. Unha pequena masa de combustible nuclear permite unha autonomía de varios meses (anos mesmo) sen encher. Por exemplo, os submarinos dos Estados Unidos non necesitan encher durante toda a súa vida útil.
3. Unpuloque ningún outro motor pode equiparar, co que puideron construírse submarinos moito máis grandes que os existentes ata o momento. O maior submarino construído ata a data son os da claseAkularusos (desprazamento de 48 mil toneladas, 175mde lonxitude).

Véxase tamén

Bibliografía

• Jaime Semprún(2007).La Nuclearización del mundo.Pepitas de Calabaza,Logroño.ISBN 978-84-935704-5-3.
• Paul A. Tipler (1991).Física. Tomo II.Editorial Reverte.ISBN 84-291-4357-2.
• José García Santesmases (1978).Física General.Paraninfo.ISBN 84-283-0973-6.
• Federico Goded Echeverría y Vicente Serradell García (1975).Teoría de reactores y elementos de ingeniería nuclear. Tomo I.Publicaciones científicas de la JEN.ISBN 84-500-6999-8.
• Kenneth S. Krane (1988).Introductory nuclear physics.John Wiley & Sons, Inc.ISBN 0-471-80553-X.
• Tania Malheiros (1995).Brasiliens geheime Bombe: Das brasilianische Atomprogramm.Report-Verlag(enalemán).
• Tania Malheiros (1993).Brasil, a bomba oculta: O programa nuclear brasileiro.Gryphus(enportugués).

Ligazóns externas

Organismos reguladores

• Consello de Seguridade Nuclear de España
• Comisión Nacional de Enerxía Atómica da Arxentina
• Comisión Chilena de Enerxía Nuclear

Proxectos internacionais

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

Organizacións ecoloxistas

• Informe do partido dos verdes europeos do estado da industria nuclear mundial.
• WISE en español. Base de datos con información útil para as campañas antinucleares dos grupos de presión.Arquivado12 de abril de 2008 enWayback Machine..
• Grup de Cientifics i Tècnics per una Energía No Nuclear (en catalán).
• GreenPeace: sección nuclear.
• Greenpeace Argentina. Mayak: Media vida marcada polos danos da enerxía nuclear
• Ecoloxistas en Acción
• Ecoloxistas a favor da Enerxía Nuclear (en español)

Outros

• Foro Nuclear Español
• Enerxía nuclear... si ou non?
• Xóves Nucleares
• Sociedade Nuclear Europea (en inglés)