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(S-8) Energía Nuclear



    Nota: este es un pequeño paseo relativo a lo básico de la energía nuclear, más allá del objetivo principal de "De Astrónomos a naves espaciales". Se incluye porque la energía nuclear es importante para la sociedad moderna, y porque la sección S-7, "La energía del Sol", ya ha provisto muchas de las ideas básicas. Mantenga en mente que aún sin matemáticas, este puede ser un tema relativamente difícil y que la disertación es más bien larga.

    Las ideas de la sección S-7 son revisadas en lo que sigue a continuación. El resto de la sección es una disertación cualitativa de todos los procesos claves que se involucran en el uso práctico de energía nuclear.

Un Repaso de la Estructura Nuclear

    La forma en que el sol genera su energía ayuda a entender la manera en que una estación de energía nuclear lo hace. Los dos procesos, sin embargo, son bastante diferentes.

Estos son algunos hechos acerca de la manera en que los protones y neutrones se combinan para formar núcleos, tal y como se vió en la sección S-7 acerca del sol:

  1.   Aparte de su carga eléctrica, los protones y neutrones ("nucleones") son bastante similares. Ellos pueden atraer otros nucleones y combinarse con ellos para formar nucleos más pesados, un proceso que libera energía. Por ejemplo, en el Sol, pares de protones se combinan con pares de neutrones para formar núcleos de helio. En el proceso, las partículas atómicas ganan gran velocidad, y de esta manera es como el calor del sol es generado.

  2.   Contrario a la gravedad o a las fuerzas eléctricas, la fuerza nuclear es efectiva solamente en distancias muy cortas. Entre mayores sean las distancias, los protones se repelen unos a otros porque ellos están cargados positivamente, y las cargas del mismo tipo se repelen.

      Por esta razón, los protones que componen el núcleo del hidrógeno ordinario -por ejemplo, en un globo lleno con hidrógeno- no se combinan para formar helio (un proceso el cual también requeriría que algunos se combinaran con electrones y convertirse en neutrones). Ellos no se pueden acercar lo suficiente como para que la fuerza nuclear, la cual atrae unos con otros, ¡se convierta en algo importante! Solo en el centro del Sol, bajo una presión y temperatura extremas, puede ocurrir tal proceso.

  3.   Otros pequeños núcleos pueden combinarse de manera similar, en núcleos más grandes y desprender energía, pero al combinarse en dichos núcleos, la cantidad de energía desprendida es muy pequeña. La razón es que, mientras el proceso gana energía permitiendo que la atracción nuclear haga su trabajo, tiene que invertir energía para forzar que se junten los protones, cargados positivamente, los cuales también se repelen unos a otros con su carga eléctrica.

  4.   Una vez que se logra hacer fierro -un núcleo con 26 protones-, este proceso ya no puede ganar energía. En núcleos aún más pesados, encontramos que la energía se pierde, no se gana, mediante la adición de protones. Sobreponer la repulsión eléctrica (la cual afecta a todos los protones en el núcleo) requiere más energía que la que se desprende por la atracción nuclear (efectiva principalmente entre vecinos cercanos). En realidad, se puede ganar energía, sin embargo, separando los núcleos más pesados que el fierro.

  5.   En los núcleos más grandes (elementos más pesados que el plomo), la repulsión eléctrica es tan fuerte que algunos de ellos espontáneamente desprenden fragmentos positivos -normalmente núcleos de helio, los cuales forman combinaciones muy estables ("partículas alfa"). Esta separación espontánea es una de las formas de radiactividad encontrada en los núcleos.

  6.   Los núcleos más pesados que el uranio se separan demasiado rápido para ser encontrados en la naturaleza, aunque ellos pueden ser producidos artificialmente. Entre más pesados sean, más rápida es su degradación espontánea.

    En resumen, entonces: los núcleos de fierro son los más estables, y las mejores fuentes de energía son por lo tanto, los núcleos que están tan lejos como sea posible del fierro. Uno puede combinar los más ligeros -núcleos de hidrógeno (protones)- para formar núcleos de helio, y así es como el Sol obtiene su energía. O de otra manera, uno puede separar a los más pesados -núcleos de uranio- en fragmentos más pequeños, y eso es lo que hacen las compañías de energía nuclear.

¿Cuántos Protones, Cuántos Neutrones?

    Como ya se ha visto, los protones y los neutrones (en conjunto llamados "nucleones") son intrínsecamente similares, y se pueden convertir el uno en el otro, absorbiendo o emitiendo un electrón para mantener la carga eléctrica adecuada. ¿Qué determina cuántos de cada uno hay en el núcleo?

    Las fuerzas nucleares aparentemente prefieren igual número de cada tipo, un núcleo ligero -helio, carbón, nitrógeno, oxígeno- usualmente mantienen una proporción de 50:50, aunque las variantes nucleares ("isótopos") con pequeñas desviaciones de la igualdad, pueden existir y pueden ser estables.

    En núcleos más pesados, debido a la repulsión eléctrica entre los protones, esta igualdad no se mantiene. Imagine un núcleo con 56 nucleones, y suponga que podemos escoger cuántos de este total serían neutrones y cuántos protones. ¿Cuál será la combinación más estable?

    Escogiendo 28 de cada tipo puede proveer la unión nuclear más estable, pero eso se contrarresta debido a la energía requerida para mantener juntos a 28 protones positivos. Así que la Naturaleza realiza un compromiso: la combinación preferida -el núcleo de la forma más común del fierro - tiene 30 neutrones y solo 26 protones.

    Una vez que los núcleos se hacen más pesados, la fracción de protones disminuye aún más -aproximadamente 45% en núcleos del rango medio, y menos del 40% en los más pesados, aquellos del uranio. El uranio ordinario ("U-238")tiene 92 protones pero 146 neutrones, para un total de 238 nucleones. Como se verá, este cambio gradual en la relación protón/neutrón es escencial para la reacción nuclear en cadena.
   

Fisión Nuclear

   Los núcleos de uranio en la naturaleza son inestables. Cada uno de sus 92 protones repelen al resto, y tarde o temprano (la mitad de ellos dentro de los siguientes 4,500 millones de años) ellos desprenden un fragmento positivo, una "partícula alfa" el cual es otro nombre de un núcleo de helio moviéndose rápidamente. Casi todo los átomos de helio que extraemos del gas natural y de las rocas -para inflar globos y para otros usos- fueron creados originalmente como partículas alfa.

   Pero existe una manera de acelerar esta separación, mediante exposición del material a neutrones libres.

  1.  Desprende mucha más energía que el fraccionamiento de un núcleo de helio ("radiactividad alfa").
  2.  Los fragmentos por sí solos son inestables. Si usted separa un núcleo, el cual tiene (digamos) 40 protones por cada 60 neutrones, en fragmentos cuya relación óptima es solamente (digamos) 45 a 55, va a tener que haber algún ajuste.

    Ordinariamente, tal ajuste hace que haya una conversión de neutrones en protones (más electrones emitidos, "rayos beta"), un proceso comocido como "radiactividad beta". Tal ajuste ocurre en la realidad, haciendo dichos fragmentos ferozmente radiactivos, y convirtiendo sus restos en un tema de gran importancia para la industria de la energía nuclear.

    Pero al principio, cuando el núcleo se desprende, los fragmentos son demasiado inestables para un proceso gradual. Un ajuste más rápido es necesario, y los fragmentos logran esto mediante la emisión por cada uno de ellos, de uno o a veces más electrones libres.

La Reacción en Cadena.

   En promedio, aproximadamente dos neutrones son desprendidos de esta manera por evento de fisión. Pero le toma solamente un neutrón para ¡comenzar otra fisión! Así, si núcleos fisionables están tan densamente empacados que cada neutrón es capaz de producir una nueva fisión, el número de eventos de fisión rápidamente se multiplica: 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128... Dado que el desprendimiento de energía es proporcional a la relación de fisión, esta también crece -¡muy rápidamente!

    Esta reacción en cadena es lo que hace que una bomba nuclear (o "bomba atómica") funcione. El material con núcleos propensos a la fisión -usualmente plutonio, un elemento pesado artificial con 94 protones- debe ser comprimido grandemente y en el momento apropiado, y expuesto a una explosión de neutrones. Una variedad de trucos, todos ellos ultra secretos, son usados para asegurarse que por lo menos una fracción apreciable de sus átomos logren la fisión antes que el todo se destruya.

    La energía nuclear comercial es producida de una manera un poco diferente, de una manera más controlada. El combustible es uranio 235 (U-235), una variante ("isótopo") con 92 protones pero solamente 143 neutrones, no 146, un número non que lo hace aún menos estable. El uranio natural consiste en su mayoría de U-238, y puede absorber un neutrón sin incurrir en fisión (al final se convierte en plutonio). El U-238 por lo tanto, no soportará una reacción en cadena. Sin embargo, 0.7% del uranio es U-235), el cual se puede fisionar, así como absorber un neutrón.

   Debe agregarse que también se pierden muchos neutrones -escapando de las orillas del reactor hacia el material circundante, o siendo absorbidos dentro de él por los núcleos " incorrectos ", los cuales no llevan a cabo fisión. De hecho, un reactor necesita ser diseñado cuidadosamente para soportart una reacción en cadena en primer lugar: pero puede ser hecho.

   Desde el comienzo, métodos complejos y muy costosos fueron concebidos para separar el U-235 o para enriquecer su porcentaje por arriba del 0.7%. En la actualidad, todos los reactores de potencia comerciales usan combustible enriquecido, lo cual hace el diseño de reactores más fácil y más controlable. Con combustible enriquecido, el agua ordinaria puede servir como moderador, y es aún más factible combinar el moderador y el combustible, disolviendo algún compuesto de uranio en agua, la acual actúa como moderador y a la vez como disipador de calor.

    Tal reactor -o un pedazo de plutonio- no soportará una reacción en cadena si es demasiado pequeño. Si la cantidad de material fisionable es menos que una masa crítica, la fisión promedio ocurre muy cerca de la superficie. Aun cuando (digamos) se produzcan 2 neutrones en cada fisión, en promedio 1.2 de ellos escapan al exterior antes de golpear otro núcleo, dejando solamente 0.8 neutrones para continuar el proceso, en donde se necesitan uno o más.

   Cuando se procesa combustible nuclear, o se reprocesan varillas de combustible, es por lo tanto escencial trabajar solamente con pequeñas cantidades para prevenir cualquier reacción en cadena accidental. El 30 de Septiembre de 1999, en la planta procesadora nuclear en Tokaimura, Japón, los trabajadores pensaron que ahorrarían tiempo mediante la combinación de algunos lotes de una solución de uranio. Con un destello de luz azul, una reacción en cadena comenzó, dándole a tres trabajadores una muy mala dosis de radiación, la cual duró 18 horas. Después de 3 meses, un trabajador murió (a pesar de que se tomaron medidas extremas), uno fue dado de alta del hospita y uno está aún (hasta diciembre de 1999) en cuidados intensivos.

   Un reporte detallado del accidente ("¿Qué pasó en Tokaimura?") apareció en "Physics Today", Diciembre 1999, p.52-54. Un accidente similar ocurrió en los Estados Unidos en los 50's, cuando un trabajador extrayendo plutonio de una solución de un líquido a otro, tomó un atajo y combinó algunos lotes. El murió de exposición a la radiación 2 días después.

El Reactor Nuclear Controlado.

   Debido a que un reactor nuclear requiere neutrones que se hayan desacelerado, este tiene un retraso inherente y no puede explotar como una bomba nuclear (aún y cuando las películas muestren lo contrario). Así, la reacción en cadena puede crecer muy rápidamente, y a menos que sea controlada, el reactor puede en principio calentarse hasta el punto en que se puede fundir. El método usual de control es insertando entre el combustible "varillas de control", las cuales absorben fuertemente los neutrones -por ejemplo del metal cadmio, también usado en recubrimientos mediante electrólisis. Mediante la absorción de neutrones libres, estas varillas reducen o detienen la reacción en cadena.

    Afortunadamente, la naturaleza ha sido útil aquí. Aproximadamente 1% de los neutrones desprendidos en fisión no son emitidos inmediatamente, pues son retrasados, durante una fracción de segundo. Los reactores son siempre operados para producir justo suficientes electrones para mantener una reacción en cadena. Si por alguna razón la salida de calor comienza a subir, los neutrones retrasados desaceleran la relación de incremento a un punto en donde un mecanismo automático que sube o baja las varillas de control es suficientemente rápido para detenerlo.

   Los reactores nucleares en los Estados Unidos usan agua ordinaria como moderador, dentro de un "recipiente presurizado" hecho de acero grueso, con elementos de combustible parecidos a las varillas y elementos de control acomodados a través de aperturas en su tapa. Para comenzar la reacción en cadena:

Este es el proceso básico -los detalles son muchos y mucho más complicados.

    ¿Es esta la energía del futuro? Hasta el momento de escribir estas líneas, (1999) Francia obtiene el 75% de su electricidad de la energía nuclear, y muchos países industriales, limitados de carbón y petróleo, también obtienen una fracción apreciable de su electricidad de esta manera -por ejemplo, 1/3 de la energía utilizada en Japón y España.

    En los Estados Unidos, después de un inicio entusiasta, el uso de energía nuclear se ha estabilizado en un 20% de la energía generada, debido principalmente a la resistencia pública a esta energía.

    Los estados Unidos, sin embargo, son afortunados en tener grandes reservas de carbón; su creciente consumo de energía es grandemente abastecido por estos combustibles. Ambientalmente, la opción es entre dos alternativas:

    No es fácil escoger, y si rechazamos ambas opciones, podemos esperar unos costos más elevados y menos disponibilidad de energía.

Desperdico Nuclear

    El problema con la energía de fisión es que los "fragmentos de fisión" del desprendimiento del uranio o plutonio son muy "calientes, " extremadamente radiactivos. Esto crea dos problemas muy serios:

  1.   El problema de almacenamiento de desperdicios, presentándose por la larga "vida" de estas substancias, el tiempo en el cual su actividad persiste.

        La energía nuclear contiene una amplia gama de substancias. Algunas tienen una vida corta: su radiactividad es intensa, pero se "quema" después de horas, días, semanas o meses (su peligro es diferente -vea abajo en el artículo). Sin embargo, algunas substancias de desperdicio se mantienen "calientes" (radiactivas) por décadas y siglos, y su radiactividad es aún tan intensa que ellos necesitan ser mantenidos lejos del contacto humano por mil años, probablemente muchos miles. Por lo menos al inicio, los desperdicios nucleares también necesitan ser enfriados, porque su radiactividad aún genera calor.

       Se ha propuesto encapsular el desperdico nuclear en una escoria vidriosa y aislarla en cavernas subterráneas, pero temores persisten -ninguna actividad humana en la historia ha requerido tanto empeño sin fallas a largo plazo).Esto también aplica para los químicos tóxicos, si se entierran en lugar de destruirse). Por suerte, la cantidad de desperdicios nucleares es relativamente pequeña. Como productos de desperdicio del combustible nuclear, ellos tienen aproximadamente el mismo peso que el combustible mismo, del cual unas pocas toneladas pueden abastecer a una ciudad con electricidad durante años.
        Aún así, ellos deben ser manipulados mediante control remoto, y deben de no tener la posibilidad de contaminar el agua subterránea.

  2.   La posibilidad de una fundición del reactor. En la operación regular de una estación de energía nuclear, las varillas de combustible acumulan una cantidad apreciable de fragmentos de fisión. En período rotativo, cada varillas es remplazada por una nueva y su desperdicio radiactivo es removido y almacenado; pero en cualquier momento, las varillas contienen tal cantidad de desperdicio como para generar mucho calor -suficiente de hecho, para fundir la varilla misma, si por alguna razón el flujo de vapor (o agua caliente), el cual remueve su calor, fallara.

Accidentes Nucleares

    Suponga que algo fallara con el mecanismo de enfriamiento. Automáticamente, por supuesto, las varillas de control son bajadas y cualquier reacción en cadena se detiene inmediatamente. Pero el desperdicio radiactivo en el centro del reactor continúa generando calor, de manera que aú así se debe proveer enfriamiento durante algunas horas, si no días. El 28 de Marzo de 1979, en la estación de energía nuclear de Three Mile Island, en las afueras de Harrisburg, Pennsylvania, un falla menor llevó a una serie de errores, apagando durante un rato ambos sistemas de enfriamiento de agua, el principal y el de emergencia.

    El calor residual de los desperdicios nucleares fundió parte del centro del reactor y creó (mediante reacción química) hidrógeno líbre, el cuál complicó aún más la situación. El reactor de 1000 millones de dólares sufrió una pérdida total, pero el peor daño fue probablemente en la confianza del público respecto a la seguridad de la energía nuclear. Aún y así, la cubierta del reactor no fue perforada, y la segunda línea de defensa,"el edificio de contención" de concreto pesado, dentro del cual estaba contenido el reactor, también permaneció intacto.

    El reactor nuclear en Chernobyl, cerca de Kiev, capital de Ukrania, tenía un diseño diferente. Como el reactor original de Fermi, este usaba una pila de carbón (grafito) para desacelerar los neutrones, con tubos dentro portando las varillas de combustible, varillas de control y agua de enfriamiento. Era un gran reactor, y no estaba encapsulado en un edificio de contención.

    El 25 de Abril de 1986, un experimento de ingeniería poco prudente, a baja potencia, se salió de control. El nivel de energía se incrementó repentinamente, la cubierta del reactor explotó, y el vapor caliente y grafito (así como el combustible circonio metálico usado en las varillas de combustible) reaccionaron con el vapor caliente y con el oxígeno de la atmósfera para producir un fuego intenso, cuya nube se elevó a grandes alturas y esparció restos radiactivos sobre una área muy amplia. De los muchos bomberos llamados a extinguir el fuego, muchos murieron posteriormente debido a la radiación. Pueblos y villas cerca de Chernobyl tuvieron que se evacuados (ellos permanecían vacíos hasta 1999) y los productos agrícolas sobre gran parte de Europa estaban contaminados. Los restos del reactor fueron luego encapsulados en una gruesa cubierta de concreto, enterrando el desperdicio radiactivo que quedó dentro de él.

   Desde estos accidentes, la generación de energía nuclear en los Estados Unidos ha procedido sin ningún contratiempo mayor. Sin embargo, el desperdicio nuclear se mantiene aún en almacenes temporales, mientras que la política nacional para su tratamiento y retiro continúa debatiéndose. El otro reactor en "Three Mile Island" (y aún los de Chernobyl) han sido reiniciados para proveer energía de nuevo.

   Tal y como el ejemplo de Francia sugiere, la energía nuclear puede ser la principal fuente de energía de una nación industrial, aunque llama a tener un alto nivel de competencia profesional y características de seguridad cuidadosamente diseñadas. Al mismo tiempo, los accidentes en Three Mile Island y Chernobyl son un recuerdo que esta fuente de energía lleva riesgos únicos en su clase.

Más Exploración.

    Si usted tiene el tiempo y la motivación, un enorme número de fuentes pueden darle información más detallada acerca de los temas disertados aquí, ambos, en medio impreso y en la red. Hay, por ejemplo,"El Turista Nuclear Virtual", un repaso muy detallado de la industria de la energía nuclear.

   Veinticinco Años Depués del Accidente en Three Mile Island, J. Samuel Walker, un historiador de la Comisión Reguladora Nuclear, publicó "Three Mile Island: A Nuclear Crisis in Historical Perspective , "Three Mile Island: Una Crisis Nuclear Con Perspectiva Histórica", (315 págs. $24.94,U. California Press Berkeley, 2004. Su revisión la encontrará en "Science", vol. 305, p. 181, 9 de Julio de 2004.

    Otra rica fuente de información (también cubriendo armas nucleares) es el libro "Megawatts and Megatons: A Turning Point in the Nuclear Age?" (Megawatts y Megatones: ¿un Punto de Cambio en la Era Nuclear?), por Richard L. Garwin and Georges Charpak, 431pp. $30, Knopf, New York, 2001.

    Un resumen más corto, de 4 páginas, relativo a la energía nuclear (comparable con este sitio de la red) es "Nuclear Fission: Atoms Unleashed", (Fisión Nuclear: átomos desencadenados), la sección central principal ("Dentro de la Ciencia #157") entre págs. 28-29 en, New Scientist, 18 de Enero de 2003.


          Desafortunadamente, la energía nuclear también provee algunas de las armas más destructoras.
      Para aprender más acerca de estas, vea la sección anexa Armas nucleares

"De Astrónomos a Naves Espaciales" continúa con secciones que tratan con vuelos espaciales y naves espaciales, comenzando con: El Principio del Cohete

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Autor y Curador:   Dr. David P. Stern
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Última Actualización: 11-15-2004