Energía nuclear: conceptos generales

Física atómica nuclear. Fisión. Reactores. Residuos radiactivos. Átomo. Lluvia. Radiofármacos. Neutrones

  • Enviado por: Mahomy
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Energía nuclear

Se entiende por energía nuclear la que es posible extraer de los procesos de fisión de un núcleo atómico pesado y fusión de dos núcleos ligeros en uno mayor. Ambos procesos tienen como resultado la emisión de partículas y radiación, cuya energía es aprovechada en los llamados reactores nucleares.

En la actualidad únicamente es explotable de forma rentable la energía nuclear de fisión del isótopo del uranio 235U en reacción en cadena controlada.

Energía nuclear de fisión.

El impacto de un neutrón de determinada energía en un núcleo de masa atómica grande produce su ruptura en dos o más núcleos. Aunque es posible la fisión espontánea de estos núcleos, es un proceso natural muy poco común. Como combustible nuclear se suelen utilizar las especies atómicas 235U, 239Pu o 233U. La fisión de estos núcleos fisibles dan lugar a dos nuevos nucleidos cuyos números másicos se encuentran entre 70 y 160, denominados productos de fisión, y que en general son radiactivos. También se producen dos o tres neutrones de 1,8 MeV de energía media, algunos electrones (radiación ð) y la liberación de unos 200 MeV, que es la energía equivalente a la disminución de masa que tiene lugar en la reacción nuclear. Esta energía liberada es del orden de cien millones de veces superior a la que corresponde en una combustión química, o a unos tres millones de veces la energía producida por la misma masa de carbón.

Puesto que en la fisión se captura un neutrón y se liberan de dos a tres, con una determinada masa o volumen de material fisible se pueden automantener estas reacciones, provocándose una reacción en cadena. A esta masa o volumen se le denomina crítico.

En algunos casos la energía de ligadura entre el núcleo y un neutrón es la suficiente para que el núcleo se rompa, como es el caso de 235U. A estos neutrones se les conoce como lentos o térmicos (porque la única energía que poseen es en razón de la temperatura a la que se encuentran). En otros casos, como 238U, es necesario que el neutrón aporte energía cinética al núcleo para producir su fisión, razón por la cual se les denomina neutrones rápidos.

Las materias primas de fisión son 235U (cuya abundancia en el uranio natural es del 0,7%) y 232Th (el único isótopo natural, aunque radiactivo), que constituyen la base de la industria nuclear. Otros isótopos como 238U y el 232Th, cuando capturan un neutrón, dan lugar a 239Pu y 233U respectivamente, susceptibles de fisión por neutrones rápidos, con lo que pueden contribuir a mantener la reacción en cadena, aunque es imposible construir una masa crítica a partir de ellos, ya que los neutrones emitidos en fisión pierden pronto parte de su energía y degeneran a térmicos, incapaces de causar posteriores fisiones.

Reactores nucleares.

En un reactor; además de producirse energía y radiación a partir del material fisible, también se genera nuevo material fisible a partir de material fértil. Se conoce como factor de conversión la relación entre nucleidos fisibles generados y destruidos.

La diferencia esencial entre las centrales termoeléctricas nucleares y las clásicas reside en la fuente de calor. En este caso, el calor se consigue mediante la fisión de núcleos de uranio. Al uranio que se consume se le llama combustible nuclear. El reactor nuclear sustituye a la caldera de las centrales termoeléctricas. El combustible que se encuentra en el reactor está formado por una mezcla de isótopos fértiles (232Th y 238U) y fisibles (233U y 239 Pu). Generalmente, además de un determinado tipo de material fisible, se producen, en menor proporción, núcleos de elementos transuránidos pesados, como curio, californio y berkelio, de media actividad, de difícil fisión y que constituyen una gran parte de los residuos generados.

Los neutrones emitidos en el proceso de fisión poseen una gran energía cinética; para asegurarse que estos neutrones impactarán en nuevos núcleos de uranio y producirán reacciones de fisión, se debe reducir su velocidad, lo que se consigue con una serie de sustancias llamadas moderadoras como el berilio, el grafito y el agua que evitan que se produzca una reacción en cadena incontrolada.

En el núcleo del reactor también se encuentran las barras de control, que se encargan de absorber neutrones y dificultar o impedir la reacción en cadena. A medida que se retiran las barras, se consigue el restablecimiento de la reacción. Los materiales que se utilizan para su fabricación suelen ser aleaciones con plata.

El conjunto del núcleo del reactor se encuentra contenido en un recipiente de acero de unos cuatro metros de diámetro y más de doce metros de altura, llamado vasija. Para extraer el calor del núcleo y transportarlo al grupo turboalternador, se utiliza un fluido refrigerante que realiza un ciclo de evaporación-refrigeración entre el núcleo y el turboalternador. El conjunto de conductos por el que circula el refrigerante se llama circuito primario. Los refrigerantes pueden ser líquidos (agua, agua pesada, sodio, litio y potasio) o gaseosos (dióxido de carbono).

La vasija del reactor y el conjunto del circuito se encuentran contenidos en el edificio de contención, cuyos muros son de gran espesor para resistir las cargas que pudieran producir hipotéticos movimientos sísmicos y evitar la salida de radiactividad en caso de accidente.

Residuos radiactivos.

Los elementos químicos pueden adquirir configuraciones nucleares, determinadas por el número de nucleones y su energía, que son inestables. Para elementos con número atómico mayor que 81 casi todas las configuraciones son inestables. Estos núcleos consiguen la estabilidad emitiendo radiación y partículas, es decir, son radiactivos. Las partículas y radiación emitidas pueden suponer un peligro para los seres vivos expuestos a ellas tanto por vía de irradiación (cuando se está sometido a la radiación emitida por una fuente exterior) o por vía de contaminación radiactiva (cuando una sustancia radiactiva se deposita sobre una superficie o es inhalada o absorbida).

La unidad que se utiliza para hablar de dosis de radiación en el hombre es el REM, siglas de Roentgen Equivalent Man, definido como el producto de un Roentgen (o cantidad de radiación X que produce una ionización en 1 cm3 de aire 2, 09 x 109 pares de iones) por un factor de calidad que depende del tipo de radiación y de su energía. El comité científico sobre los efectos de las radiaciones ionizantes de 1989 cifró en 200 milirems la dosis de radiación natural anual, y en 5400 milirems anuales (5,4 rems) la dosis máxima permitida para una persona.

Se estima en cuatro milirems anuales la radiación emitida en el interior de una central nuclear durante su funcionamiento normal, y un milirem anual en sus proximidades. Claramente, durante los tiempos de recarga de combustible esta cantidad es más elevada.

El problema de los residuos nucleares radica en el hecho de que continúan desintegrándose y emitiendo partículas durante un período muy dilatado de tiempo, aunque su actividad disminuye de forma exponencial. Debido a su peligrosidad, los residuos radiactivos han de tratarse adecuadamente. La correcta gestión de éstos requiere, en primer lugar, su almacenaje en depósitos de seguridad con el fin de evitar el impacto negativo que tienen sobre el medio. Aunque en su mayoría proceden del funcionamiento de las centrales, también se producen en aparatos médicos y en las aplicaciones militares.

Los residuos radiactivos pueden calificarse según su estado en sólidos, líquidos y gaseosos, y según su actividad, en residuos de alta, media o baja actividad.

Los residuos más radiactivos, que son los que proceden del combustible, se almacenan durante al menos seis meses en piscinas de hormigón llenas de agua y situadas dentro del recinto de la central. La doble pantalla de agua y hormigón impide el paso de las radiaciones, al mismo tiempo que los residuos van perdiendo actividad. Tras el período de almacenamiento provisional, se transportan estos residuos a instalaciones de reprocesamiento o a su almacenamiento definitivo. El transporte se realiza en contenedores especiales, forrados de gruesas paredes de acero y plomo, lo que evita el riesgo de irradiación a las personas que permanecen junto a ellos. Los contenedores son sometidos a pruebas de choque, fuego e inmersión. En las instalaciones de reprocesamiento se recupera buena parte del uranio no consumido y del plutonio producido, y se reutilizan para la fabricación de nuevos combustibles.

Después de esa labor de recuperación quedan pequeños volúmenes de residuos de alta actividad, que son solidificados en una matriz de vidrio (material muy resistente a la corrosión y a la humedad), incluidos en hormigón y encapsulados dentro de depósitos de acero. Estas cápsulas se almacenan ya de forma definitiva en minas profundas, situadas en formaciones geológicas estables de tipo salino o calcáreo, cuya estructura se ha mantenido sin alteración durante millones de años, carentes de corrientes de agua que pudieran provocar corrosiones.

La seguridad de estos sistemas de almacenamiento es, más que una decisión científica, una decisión política de cada gobierno, y por tanto objeto de controversia. Los experimentos de laboratorio muestran una aceptable seguridad (nunca una certeza). Investigaciones sobre fenómenos naturales como el que hace mil setecientos millones de años se inició en los yacimientos de uranio de Oklo, en Gabón, donde se produjeron, durante medio millón de años, fenómenos de fisión cuyos productos, principalmente plutonio y uranio fueron penetrados por aguas subterráneas, indican que la mayor parte de los productos de fisión, y prácticamente la totalidad del plutonio quedan retenidos en el lugar. Parece lógico deducir que las condiciones de aislamiento y estanqueidad de los actuales almacenamientos garantizan una retención de los productos de fisión y un mínimo impacto sobre el medio ambiente.

En cuanto a los residuos de baja y media actividad, son tratados, filtrados y retenidos mediante diversos procedimientos y luego separados, concentrados y solidificados con cemento, alquitrán o cenizas dentro de bidones metálicos. Estos bidones se guardan primero en almacenes provisionales en la misma central nuclear, y luego en instalaciones definitivas como minas abandonadas o trincheras hormigonadas.

Algunos países almacenan los residuos en el fondo marino, sumergiendo los contenedores en el lecho marino a unos 4000 m de profundidad. Debido a la capacidad absorbente del agua, no es necesario enterrar los residuos. Sin embargo, la corrosión marina sobre los contenedores y la escasa información que se posee de las corrientes marinas profundas aconsejan evitar esta práctica.

Energía nuclear de fusión.

Cuando los núcleos de peso atómico inferior al Fe, y en especial deuterio y titrio, interaccionan entre sí, pueden unirse y producir núcleos más pesados, adquiriendo una nueva configuración nuclear más estable y emitiendo energía en forma de radiación.

El deuterio se obtiene del agua del mar mientras que el titrio se obtiene como subproducto de la fusión de deuterio o a partir de la interacción de un neutrón con el 6Li. La interacción entre D y D o D y T puede producirse de dos formas distintas, constituyendo moléculas muónicas, con lo que se obtiene la fusión en frío, o haciendo colisionar unos núcleos contra otros, originando la fusión en caliente.

Aplicaciones de la energía nuclear.

La principal aplicación de la energía nuclear es la producción industrial de energía eléctrica en las centrales nucleares. Aunque el coste de construcción de una central nuclear es mayor que la del resto de las centrales, el coste de combustible es mucho menor. Funcionan como centrales de base, es decir, tienen un funcionamiento ininterrumpido y un alto grado de disponibilidad. Las últimas centrales construidas pertenecen a la llamada tercera generación. Están equipadas con un reactor nuclear de agua a presión (PWR) que está constituido por una vasija metálica de unos 11 m de altura y 4 m de diámetro dentro del cual se disponen los elementos de combustible que constituyen el núcleo.

Por su interior fluye el refrigerante, agua desmineralizada que circula a una presión constante para mantener su estado líquido y que además funciona como moderador. El sistema de control del reactor se basa en la acción unificada de medio centenar de barras de boro, que distribuidas a lo largo del núcleo regulan el flujo de neutrones existentes y, por tanto, la fisión nuclear. Esta acción se ve reforzada por la actuación adicional de boro como refrigerante.

El control y, en su caso, la detención de la reacción nuclear se consigue mediante la introducción de las barras de control y la disolución de boro en el refrigerante. El reactor y su circuito de refrigeración están contenidos dentro de un recinto hermético estanco llamado de contención, formado por una estructura arquitectónica esférica de hormigón y acero.

En la actualidad, en España y en otros países se ha paralizado la construcción de las centrales nucleares debido a la resistencia social suscitada por el peligro que supone un accidente en una central. Las dosis de radiación emitidas en accidentes como el de Chernobyl, con emisiones en las primeras horas de la catástrofe de 10.000 rems, suponen un riesgo que hay que tener en cuenta (una dosis instantánea de 500 rems es letal). También existe una creciente preocupación por la gestión de los residuos radiactivos de alta y media actividad que esta industria genera, así como su impacto medioambiental.

Por otra parte, gracias a los reactores nucleares ha sido posible producir grandes cantidades de isótopos radiactivos a bajo coste. Los radisótopos son fuentes de radiaciones que pueden ser detectadas y medidas. Pueden alterar la materia viva introduciendo cambios genéticos, esterilizar y conservar. Por ello otras de sus aplicaciones son:

- Como control de plagas. Se utilizan para esterilizar en laboratorios grandes cantidades de insectos machos que luego son puestos en libertad, en zonas afectadas por plagas de su especie. Como sus apareamientos son estériles, se reduce muy sensiblemente el número de insectos en las siguientes generaciones.

- En agricultura, los radioisótopos se emplean en la técnica de mutaciones a fin de conseguir especies de plantas de mayor rendimiento, más resistentes a enfermedades o más apropiadas al clima de cada zona. Los cambios genéticos se consiguen por irradiación de semillas. Las especies que reciben este tratamiento se denominan transgénicas.

- Para la conservación de alimentos: los tratamientos por irradiación de las cosechas reducen el número de microorganismos causantes de la descomposición o incluso inhiben los procesos de germinación o retrasan la maduración de los frutos, lo que permite plazos más largos de conservación.

- En el campo de la medicina se han conseguido importantes avances gracias a técnicas basadas en trazadores y radiofármacos. El fundamento de los trazadores consiste en introducir radisótopos en un organismo vivo y seguir su trayectoria. Como elemento terapéutico en el tratamiento del cáncer y para la esterilización de instrumental médico, se utiliza el radisótopo 60Co. El marcapasos es una batería isotópica de larga duración que regula automáticamente el ritmo cardíaco.

- Se aplica también en la fabricación de baterías nucleares para satélites artificiales o estaciones meteorológicas en lugares aislados.

Por otra parte, se investiga actualmente en aplicaciones pacíficas de los explosivos nucleares.

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