Energía eléctrica

Energía atómica. Fusión nuclear. Radiación. Partículas radiactivas. Reactores nucleares

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Fundamentación

Desde épocas arcaicas, el hombre ha buscado la forma de subsistir empleando otras fuentes de energía o aumentando su fuerza física empleando herramientas para dicho objetivo. Si miramos a los pueblos precolombinos en América, hace miles de años, en la etapa paleolítica, observaremos que ellos dirigían a los animales gigantes hacia los barrancos y utilizaban la energía potencial de la caída para matarlos y luego alimentarse. Hoy el hombre utiliza principalmente dos tipos de energía: la energía termodinámica y la energía eléctrica. La energía termodinámica ocupa como materia esencial a los combustibles fósiles. En una reacción de combustión, siempre se consume oxígeno y se libera dióxido de carbono, un gas tóxico y más aún cuando los combustibles contienen plomo.

Las reservas de petróleo, el principal combustible fósil, son agotables. Por estas desventajas, se está buscando la manera de suplir esta fuente de energía limitada y contaminante por otra limpia, más económica y con mayor rendimiento. Esta es la energía eléctrica. En nuestro país las principales fuentes de energía son las plantas hidroeléctricas. En una sociedad que consume enormes niveles de energía, las plantas eléctricas quedan trabajando al máximo. Este es el caso de nuestro país, en el cual tuvimos un tiempo de déficit eléctrico a causa de las sequías, que no daban suficiente caudal a los ríos para hacer funcionar debidamente los generadores de las plantas hidroeléctricas. A causa de esto, debimos evitar el sobre consumo y programar cortes eléctricos. ¿Cómo crear una cantidad de electricidad que cubra las excesivas demandas de nuestro medio tecnológico?. La solución es el empleo de energía nuclear. La Fusión nuclear es la solución para crear energía “limpia”, puesto que la fisión nuclear, produce desechos nocivos para nuestra salud. En el caso de que se instalasen plantas de Fusión a lo largo del mundo, se debería tomar en cuenta los riesgos que esto implica. Estos avances son los más peligrosos creados hasta el momento, en caso de accidente.

Energía eléctrica

La electricidad se puede definir como la energía creada por las cargas que poseen los átomos cuyo número de electrones es diferente del número de protones en su interior. En Grecia hacia año 600 a.C. se observaba el comportamiento de un trozo de ámbar al ser frotado con la piel. La palabra electricidad viene de elektrón, que significa ámbar. La electricidad se obtiene mediante distintos métodos, como el roce íntimo entre dos objetos. El sistema para producir corriente alterna(que cambia de polaridad) más usado es el del generador eléctrico. El generador es un rotor formado por un rollo de cables alrededor de un eje, el cual gira dentro de un campo magnético estático. Por cada vuelta el generador envía dos cargas eléctricas de distinta polaridad. Para poder abastecer a un país con un alto consumo de electricidad, es conveniente utilizar una nueva fuente de energía utilizable. Hoy esta fuente es la energía nuclear, la que puede convertirse en eléctrica.

Energía Nuclear

La Fusión nuclear es, como su nombre lo indica, la unión de dos núcleos de elementos para tener como producto un núcleo más pesado y energía. La fusión es la base del proceso que se lleva a cabo en el sol y las estrellas para generar enormes cantidades de energía calórica y lumínica. En la actualidad los reactores de fisión nuclear generan además de grandes cantidades de energía, desechos radiactivos, los cuales permanecen almacenados en depósitos durante largo tiempo, atentando contra la salud del ecosistema del entorno. Es por esto que los lugares en donde se acumulan los restos radiactivos son seleccionados previamente según su frecuencia sísmica a lo largo de la historia, tomando en cuenta además muchos otros factores.

La Fisión nuclear se practica en muchas partes del mundo y resulta el método más práctico y económico para generar tan grandes cantidades de energía. La fisión es la división del núcleo de un átomo lo suficientemente inestable como para dividirse. Hoy en día el uranio 235 y el plutonio son los elementos más utilizados para producir una reacción de fisión nuclear. La división atómica de un átomo de uranio 235 se logra bombardeándolo con neutrones. El producto de la reacción podría ser, Cesio 140 y Rubidio 93 o Bario 141 y Kriptón 92, más 3 neutrones y 200 Millones de electrovoltios (MeV) de energía, equivalente a 3.2 x 10-11 Julios.

La Fusión Nuclear se realiza a partir de dos isótopos del hidrógeno, el Deuterio y el Tritio. El deuterio, está compuesto por un protón, un neutrón y un electrón, el tritio posee un neutrón más que el deuterio, es inestable y radiactivo. La reacción de fusión de un átomo de deuterio mas otro átomo de tritio, forman un átomo de helio mas un neutrón y altos niveles de energía. Debemos recordar que lo que se logra a través de este proceso, es unir, fusionar los dos núcleos del isótopo de helio. El problema es que cada núcleo está cargado positivamente por efecto de los protones existentes en ellos y esto genera una fuerza de repulsión, la cual está expresada en la ley de Columb que dice: “La fuerza de atracción o repulsión entre dos cargas puntuales es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.

Procesos

Para vencer esta fuerza de repulsión es necesario recrear un medio como el que existe en las estrellas. El calor necesario para producir la fusión es de aproximadamente 100 millones de grados centígrados, lo cual es de difícil acceso en nuestra naturaleza. En el caso de la Bomba de Hidrógeno, primero de desencadena una reacción de fisión nuclear y luego, con la temperatura alcanzada en la explosión, se logra la reacción de fusión de hidrógeno. Pero, ¿cómo lograr esta reacción de fusión sin destruir el laboratorio con la explosión nuclear?. Para lograrlo, se debe llegar a un punto de energía en el que la materia se convierta en un plasma. El plasma se encuentra en todas las estrellas y en el espacio y es considerado el cuarto estado de la materia porque no se encuentra ni en estado sólido, liquido o gaseoso. En un estado de plasma, la materia se desintegra de sus partes elementales; protones, neutrones y electrones. Como estos elementos son tan pequeños, no pueden ser contenidos en envases de ningún tipo, por esta razón se emplea el magnetismo para mantenerlos reunidos, similar a la fuerza de gravitatoria de las estrellas que evita que el plasma viaje libremente por el espacio. El instrumento que logra energetizar estos elementos es llamado “Acelerador de partículas”. Los aceleradores de partículas han ido logrando mejores rendimientos en cuanto a la cantidad de energía que se le puede llegar a proporcionar a una partícula. En 1920 se creó el Linac o acelerador lineal, luego, en 1939 Ernest Orlando Lawrence diseñó un acelerador más compacto y con mayor potencia que el de diseño lineal, llamado ciclotrón. Finalmente el sincrotrón, el último creado, es el acelerador más potente. Está compuesto de un anillo por el cual viajan las partículas ya aceleradas en otro anillo. A medida que la partícula avanza, va siendo acelerada en distintos puntos del recorrido. Los aceleradores hasta ahora nombrados, sirven para disparar las partículas a un blanco en reposo. Existe un instrumento que incorpora a los aceleradores para hacer chocar dos partículas aceleradas independientemente en una colisión frontal. Entre la frontera de Suiza y Francia se encuentra el más grande colisionador de electro-positrones (LEP). Su anillo principal posee un perímetro de 27 Km y se encuentra a 100 metros de profundidad. Gracias a estos instrumentos se ha conseguido vencer la fuerza que repele a los núcleos y así lograr la fusión de elementos. En 1930 se consiguió la primera fusión nuclear experimental. Para esto se utilizó el ciclotrón para acelerar las partículas. En noviembre de 1952, en Eniwetok, se realizó la primera fusión a gran escala, es decir, con una enorme liberación de energía, solo que esta vez, la reacción fue incontrolada, puesto que se logró a través de la explosión de una bomba atómica como detonante. Esta es la “Bomba de Hidrógeno”. Un proyecto importante fue la creación del reactor experimental de fusión Tokamak, creado por el laboratorio de física de la Universidad de Princeton en Estados Unidos. Este reactor comenzó a dar resultados en la década de 1960 y en 1993, logró una temperatura tres veces mayor que la existente en el núcleo solar a través de una reacción de fusión controlada. En este aparato, la energía para llegar al plasma se obtiene de calentamiento resistido producido por corrientes eléctricas. Otra forma de obtener esta energía es a través la exposición de deuterio y tritio a un pulso láser, lo cual debería ser un detonante. Dos destacados investigadores fueron, Andréi Dmitriévichjj Sajárov e Ígor Yevguénievich Tamm. El primero fue un físico nuclear nacido en Moscú en 1921. Gracias a él se facilitó la construcción de la bomba H. Entre 1848 y 1956, se dedicó a investigar sobre la fusión nuclear junto con Ígor Yevguénievich. Este último fue un físico que nació en Vladivostok, Rusia y estudió sobre relatividad y mecánica cuántica, realizando importantes avances en la física. Ambos científicos estudiaron en Moscú y recibieron el premio Nobel. El diseño del Tokamak arrojó buenos resultados pero no fue capaz de producir una serie de reacciones continuas. Existe hoy un nuevo sistema que soluciona el problema del Tokamak; “Los stellarators, pueden operar en forma continuada, algo que parece necesario en las plantas de producción energética, mientras que los tokamak sólo trabajan en forma pulsada, a no ser que dispongan de instalaciones muy costosas”(Klaus Picau). Este nuevo diseño, el stellarator, podría ser el que permita el funcionamiento de las plantas de fusión nuclear. Antes sólo se había logrado producir 17 megavoltios durante tres segundos en un reactor de fusión en Gran Bretaña.

Industrialización de los reactores de fusión nuclear

Para que un país pudiera construir una planta de fusión nuclear, necesitaría sumas extraordinarias de dinero para instalar solo el acelerador de partículas. En chile, el año 1994, las plantas hirdoeléctricas producían 4,8 millones de kW y generaban 25267 millones de kWh. Un reactor nuclear podría suplir gran parte de esta energía. Las plantas hidroeléctricas obtienen la energía del funcionamiento de los generadores anteriormente explicados utilizando el caudal de los ríos para proporcionar movimientos a las bobinas del rotor. La diferencia entre una planta hidroeléctrica y una planta de fisión o fusión nuclear es que la planta nuclear, en ves de agua líquida, a baja presión, utiliza vapor de agua a altísimas presiones para mover los generadores y éste calor lo obtiene de la energía nuclear. Si en chile se instalara una planta nuclear, ya no se dependería mas de las estaciones secas o lluviosas, pero los desechos nucleares serían una nueva fuente problemática. La mejor solución que acabaría con el problema de la dependencia climática y la ecología sería instalar una planta en base a fusión nuclear. Esta energía es limpia, abundante, económica en relación a su rendimiento y lo mejor de todo es que chile posee los dos isótopos de hidrógeno que se necesitan para llevar a cabo la reacción. Hasta hoy no se han instalado generadores de electricidad por fusión nuclear por lo costoso y no eficiente respecto de la gran energía que hay que proporcionar. “Tenemos la paradoja de que para producir energía, antes hay que gastarla. Todavía necesitamos que del proceso salga más energía que la que estamos introduciendo, porque si no, es evidente que nunca será rentable”(Carlos Alejaldre, España). Si Chile contara con el presupuesto necesario, resultaría conveniente instalar un reactor de Fusión, aunque todavía no se haya adoptado este sistema como industria.

Riesgos

Los riesgos de instalar estas modernas industrias de energía representan un porcentaje considerable de probabilidades de catástrofes. La administración de todos los procedimientos deben ser cuidadosamente analizados. Este fue la razón del desastre nuclear de Chernobil el 16 de abril de 1986, en el cual, hubo una pérdida del control de las reacciones y éstas pasaron a ser reacciones autosostenidas, es decir, en cadena e incontroladas. El exceso de energía destruyó las paredes que la contenían y el vapor salió a la atmósfera contaminando un extenso territorio con altos niveles de radiactividad. Hasta hoy podemos apreciar las secuelas de esta catástrofe nuclear.

Efectos

Los efectos que causaría en un hombre la exposición a radiación probablemente serían: mareos, vómitos, diarrea, pérdida del cuero cabelludo y piel. Efectos posteriores serían; la leucemia y alteraciones genéticas en la descendencia, como es el caso de algunas víctimas del estallido de la primera bomba atómica en Hiroshima y Nagasaki.

En una explosión nuclear de gran escala, la onda expansiva destruye casi todo en un radio de 24 Km aproximadamente si la bomba es de 10 Kilotones. Lo más destructivo de esta bomba es su radiactividad. Después de explotar, el vacío que queda al centro, se llena nuevamente de aire y forma una nube semejante a un Hongo. Este fenómeno es el causante del esparcimiento de las partículas radiactivas. Luego de una explosión, las sustancias ubicadas en la bola de fuego y el tallo, se unen para aumentar de peso y caer. Las demás partículas se esparcen y caen después de unas horas en forma de lluvia. La lluvia radiactiva se puede deber a una explosión nuclear o a una fuga de contaminantes nucleares. Los efectos de esta lluvia son extremadamente nocivos y se dividen en dos: los de corto plazo y los de largo plazo.

En el caso de una explosión nuclear, los primeros efectos serían las quemaduras provocadas por el “fogonazo” de neutrones. A consecuencia de esto, la piel experimenta un deterioro considerable hasta la hipodermis, dependiendo de la intensidad de la exposición. Seguido, a causa del deterioro progresivo del sistema nervioso se producen síntomas como la diarrea, vómito, y mareos. Uno de los isótopos residual de la reacción es el 131I (Yodo), el cual es asimilado por los vegetales, los que a su vez son ingeridos por las vacas y luego es transmitido a la leche, la que es ingerida por los hombres. Este elemento viaja y se concentra en la tiroides, produciendo cáncer tiroídeo. Este proceso se da en muchos otros casos con isótopos radiactivos diferentes. Los efectos de las lluvias a largo plazo son las alteraciones genéticas sufridas a causa de la incidencia de la radiación en los ácidos nucleicos de cada célula. Los isótopos de una vida larga, perjudican a las siguientes generaciones e inhabilitan el territorio afectado. Todas estas situaciones son posibles y se pueden prevenir si se invierte un buen capital en medidas de seguridad. De todos modos, un reactor de fusión nuclear ofrece menos riesgos por la poca cantidad de reactante radiactivo que necesita para trabajar.

Conclusión

Sin duda alguna, la energía atómica es una amplia fuente de actividades de todo tipo. Cuando se dio respuesta a cómo crear grandes cantidades de energía, surgió un segundo problema; cómo crear esta la energía en forma limpia. Luego de haber encontrado esta solución, estamos ahora aplicándola a nuestro sistema de vida. La fusión nuclear representa la opción más conveniente de satisfacer nuestras necesidades de energía. Más aun cuando debemos preocuparnos por el futuro de nuestro ecosistema. Como en muchos otros casos, la solución estaba ya en la naturaleza, en el sol.

El desarrollo tecnológico que observamos en nuestra sociedad, se acelera cada día más para satisfacer todas las necesidades y voluntades de distinto índole que han cautivado al hombre desde los inicios de su existencia como Homo Sapiens Sapiens. Pero esta industria del conocimiento, que escapa de la imaginación de las generaciones anteriores y pronto escapará de la nuestra, avanza gracias al trabajo, las inversiones, las guerras y las investigaciones realizadas por el hombre, arriesgando vida por sabiduría en beneficio de nuestra generación y las próximas.

Bibliografía

- Sears F ; Zemansky M Física General Ed. Talleres Gráficos Montaña, Madrid, 1962 cuarta edición. PP 943-948

- L'ENCYCLO. Bordas S. A., París, 1990. PP 212, 213, 320, 321, 712, 718

- Microsoft Corporation Enciclopedia Encarta 98

- Ardley Neil, (Et,al), Ed Artes Gráficas Toledo, Barcelona 1989 PP 75, 84

- “La energía no está a punto” Muy Interesante, Nº 144, PP 16-18

- Apuntes Escolares.

reportage: (el gerente)

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