QUE ES LA ENERGÍA NUCLEAR?, Usos

PRINCIPIO BÁSICO Y USOS DE LA FISIÓN NUCLEAR Y LA LIBERACIÓN DE ENERGÍA NUCLEAR

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Historia de la Energía Nuclear Pila Nuclear La Física Moderna Efectos de una Explosión Nuclear La Energía del Sol Concepto de Energía Nanociencia Octanos en las Naftas

En el siglo XIX, los combustibles fósiles -carbón, petróleo y gas- fueron los grandes protagonistas del impulso industrial. Aún en la actualidad, estos recursos proveen casi el 90% de la energía empleada en el mundo. La certidumbre de que la existencia de carbón, gas y petróleo era limitada llevó a la búsqueda de fuentes de energía renovables. La gran fuerza liberada por el átomo, trágicamente experimentada por Estados Unidos sobre Hiroshima y Nagasaki en 1945, hizo pensar en el aprovechamiento de la energía nuclear con fines pacíficos.

Fue así cómo, en el marco de la guerra fría, las potencias mundiales, además de incrementar su arsenal atómico, se esforzaron por desarrollar la energía nuclear con fines pacíficos, en especial a través de la construcción de centrales atómicas. Diversos accidentes, como el ocurrido en 1979 en la central nuclear de Three Mile Island, en Estados Unidos, pusieron en evidencia que el uso de la energía atómica era realmente peligroso para la humanidad. Entre otros motivos, porque el almacenamiento definitivo de residuos que permanecen miles de años altamente radioactivos plantea problemas por ahora irresolubles.

LA ENERGÍA ATÓMICA

Radiactividad natural: Descubierta accidentalmente por Henri Becquerel, en 1896, y estudiada en profundidad por Pierre y Marie Curie (fig. izquierda), a quienes se debe el nombre, la radiactividad natural es el fenómeno según el cual determinados materiales, como, por ejemplo, las sales de uranio, emiten radiaciones espontáneamente.

Las radiaciones emitidas son de tres tipos que se denominan alfa, beta y gamma, y tienen las siguientes características:

Las radiaciones alfa son poco penetrantes, ya que son detenidas por una hoja de papel y se desvían en presencia de campos magnéticos y eléctricos intensos. Están formadas por partículas cuya masa es de 4 u y cuya carga, positiva, es igual a dos veces la carga del electrón.

Las radiaciones beta son más penetrantes que las radiaciones alfa, aunque son detenidas por una lámina metálica. En realidad consisten en un flujo de electrones.

Las radiaciones gamma son muy penetrantes para detenerlas se precisa una pared gruesa de plomo o cemento. Son radiaciones electromagnéticas de alta frecuencia y, por lo tanto, muy energéticas.


Los rayos alfa buscan el polo negativo y los beta el positivo, pues cargas opuestas se atraen

Fuerzas nucleares

Como ya sabes, entre cargas eléctricas del mismo signo existen fuerzas eléctricas de repulsión. Si esto es así, ¿cómo es posible que los protones permanezcan unidos en un volumen tan reducido como el que tiene el núcleo?

Los protones y los neutrones se mantienen unidos en los núcleos debido a la acción de otro tipo de fuerzas distinto de las fuerzas eléctricas y de las fuerzas gravitatorias. Estas fuerzas, a las que llamaremos fuerzas nucleares, son de atracción y mucho más intensas que las fuerzas eléctricas.

Las fuerzas nucleares son de corto alcance, ya que se anulan cuando las distancias son superiores a unos pocos femtómetros (1 femtómetro =metros). A partir de esta distancia predominarán las fuerzas eléctricas, que tenderán a separar a los protones.

Estabilidad nuclear

Según la proporción entre protones y neutrones de un núcleo, éste es estable o no. Actualmente se conocen más de 300 núcleos estables. La radiactividad tiene su origen en la estabilidad nuclear. Si el núcleo es estable, el elemento no es radiactivo; pero cuando la relación entre los componentes del núcleo no es la adecuada, éste emite partículas y radiaciones electromagnéticas hasta alcanzar la estabilidad.
Se llaman isótopos radiactivos o radioisótopos todos aquellos isótopos que emiten radiaciones. Muchos elementos químicos tienen isótopos radiactivos cuyos núcleos emiten radiaciones y partículas de forma espontánea, a la vez que se transforman en núcleos de otros elementos. Así, por ejemplo, uno de los isótopos del carbono, el carbono- 14, es radiactivo y se transforma, espontáneamente, en un núcleo de nitrógeno.

Es posible conseguir que un núcleo estable se transforme en un radioisótopo. Si a un núcleo estable llega una partícula con suficiente energía, el núcleo puede desestabilizarse y volverse radiactivo para recuperar la estabilidad. Cuando esto sucede, se habla de radiactividad artificial, en oposición a la radiactividad espontánea o radiactividad natural.

Período de semidesintegración

Toda desintegración natural es un proceso aleatorio, es decir, no se puede predecir exactamente cuándo un núcleo determinado va a desintegrarse. Ahora bien, es posible calcular la probabilidad de que un núcleo se desintegre en un tiempo determinado. Con este fin se asocia a cada sustancia radiactiva una magnitud característica llamada período de semidesintegración.

El período de semidesintegración, de una sustancia radiactiva es el tiempo necesario para que se desintegre la mitad de los núcleos presentes en una muestra de dicha sustancia. Es decir, si tenemos una masa m de una sustancia y al cabo de 14 días tenemos la mitad (m/2) de esa sustancia (la otra mitad se ha desintegrado), diremos que su período de semidesintegración es de 14 días.

El período de semidesintegración varía para las distintas sustancias radiactivas desde millones de años a fracciones de segundo Sin embargo, cualquier sustancia radiactiva evoluciona en el tiempo ajustándose a una curva como la que se representa en la figura siguiente:

 

 

 

Curva de desintergración radiactiva

 

Períodos de semidesintegración de algunos isótopos

Como el período de desintegración del Radio 223 es de 8 días, tendrán que pasar unos 24 días para que la radioactividad de la muestra de este isótopo se reduzca a la octava parte (1/8)

Energía de enlace nuclear

Para calcular la masa de un cierto núcleo se multiplicará el número de protones que contiene por la masa de un protón, se multiplicará el número de neutrones por la masa de un neutrón y se sumarán ambas cantidades.

El núcleo de Li contiene tres protones y tres neutrones. La masa de un neutrón es de 1,6748 . 10-27 kg y la masa de un protón es de 1,6725 . 10-27 kg. En consecuencia, cabría esperar que la masa de este núcleo fuera de 10,0419 . 10-27 kg. Sin embargo, la masa de un núcleo de litio, 9,9846 10-27kg., es menor que la calculada sumando las masas de los tres protones y los tres neutrones que lo constituyen. El defecto de masa es de 0,0573 . 10-27 kg.

Defecto de masa en el núcleo de Litio

Este hecho se repite para todos los núcleos atómicos. La masa de un núcleo atómico es menor que la que se obtiene cuando se suman las masas de los protones y los neutrones que lo constituyen. La diferencia entre ambos valores recibe el nombre de defecto de masa.

El defecto de masa se produce porque parte de la masa de los protones y neutrones se transforma en energía cuando dichas partículas se unen para formar un núcleo atómico.

A partir de este hecho se define una nueva magnitud, la energía total de enlace nuclear, que es la energía que se desprende en la formación de un núcleo a partir de los nucleones que lo forman. Para el núcleo de litio, dicha energía es de 32 MeV. (nota 1 electronvoltio (eV) es la energía cinética que adquiere un electrón al someterse a una diferecia de potencial de 1 voltio. Dicha energía es de 1.6 . 10-19 Julio. Un MeV equivale a un millón de eV)

Los procesos en los que se modifican los núcleos de los átomos reciben el nombre de reacciones nucleares. En las reacciones nucleares, pequeñas cantidades de masa se transforman en grandes cantidades de energía, de acuerdo con la equivalencia establecida por Einstein.
E = m.c2

donde E es la energía desprendida, m es el defecto de masa y e es la velocidad de propagación de la luz en el vacío. Debido al elevado valor de e, a partir de una pequeña cantidad de materia es posible obtener una enorme cantidad de energía


Albert Einstein (1879-1955)

La fisión nuclear:

Determinados núcleos pesados, como, por ejemplo, el núcleo de uranio-235, se rompen en dos núcleos intermedios cuando se bombardean con neutrones. En este proceso, conocido como fisión nuclear, también se emiten otras partículas, además de radiación y una gran cantidad de energía.

De la fisión de un núcleo de uranio-235 se obtiene un átomo de bario-142, un átomo de criptón-91, 3 neutrones y una energía de 210 MeV que se desprende en forma de calor. La ecuación que describe el proceso es la siguiente:

235U + 1 neutrón ----> 142Ba + 91Kr + 3 neutrones + 210 MeV

La masa del núcleo de uranio-235 sumada con la masa del neutrón es ligeramente superior a la suma de las masas del núcleo de bario- 142, el núcleo de criptón-91 y los tres neutrones. Este pequeño defecto de masa se ha transformado en energía.

Los neutrones que se obtienen en la fisión de un núcleo de uranio-235 pueden utilizarse para bombardear otros núcleos de este isótopo y provocar nuevas fisiones que a su vez producirán nuevos neutrones, y así sucesivamente. Se origina de este modo una reacción en cadena mediante la cual, en un tiempo muy breve, se consigue la fisión de un gran número de núcleos y se libera una enorme cantidad de radiación y energía.

Reacción en cadena

La fusión nuclear

Una reacción de fusión nuclear es un proceso según el cual se unen núcleos ligeros o intermedios para formar núcleos más pesados, obteniéndose energía.

La fusión de un núcleo de deuterio, 2H, con un núcleo de tritio, 3H, da lugar a la formación de un núcleo de helio-4, 4He, además de un neutrón y una energía dc 17,6 MeV, que se desprende en forma de calor. Esta es una de las reacciones mediante las que el Sol produce energia. La ecuación que describe el proceso es la siguiente:

2H + 3H ----> 4He+ 1 neutrón +  17,6 MeV

Las centrales nucleares

Como Funciona Un Reactor Nuclear

La generación de electricidad es el empleo más importante de la energía liberada en una fisión nuclear. Para ello es necesario controlar la reacción de fisión en cadena; hace falta un sistema que impida que el número de fisiones por unidad de tiempo sobrepase ciertos límites. Esto se logra mediante el reactor nuclear Un reactor nuclear consiste básicamente en un recipiente en cuyo interior se encuentra el combustible nuclear (uranio o plutonio). Dicho combustible se suele introducir en forma de pastillas encapsuladas en una serie de vainas metálicas ,rodeadas por un material moderador, que forman el interior del reactor. Para el control de la reacción existen unas barras deslizantes, compuestas de un material capaz de absorber neutrones (boro o grafito). Según se introduzcan más o menos barras de control en el interior del reactor, el número de neutrones absorbidos será mayor o menor, de este modo se puede controlar el número de fisiones que ocurren por unidad de tiempo. Si las barras se introducen totalmente, la reacción de fisión se detiene. Todo el conjunto del reactor se halla encerrado por el blindaje biológico, que es una envoltura de metal y hormigón cuya finalidad es impedir el paso de la radiación o gases contaminantes o radiactivos al medio ambiente.

La energía liberada por la fisión del combustible se manifiesta en forma de calor, que se extrae mediante un refrigerante que suele ser agua y que, a causa del calor recibido, se convierte en vapor a alta presión. El vapor así producido es utilizado para mover turbinas que están acopladas a los generadores eléctricos, posteriormente es enfriado y forzado a circular nuevamente dentro del reactor mediante bombas.

Cuando el combustible empleado es el uranio, puede presentarse en dos variedades: uranio natural o uranio enriquecido. El uranio natural contiene una pequeña proporción de átomos de uranio-235, que es el único que puede fisionar en el reactor. Por ello es necesario mejorar sustancialmente la eficiencia del reactor, sobre todo en lo que hace a la absorción indeseada de neutrones, esto encarece la estructura del reactor pero generalmente se compensa con el bajo costo del uranio natural. Por el contrario, el uranio enriquecido presenta una proporción mucho más alta de átomos de uranio-235, que se logra mediante un costoso proceso de refinamiento químico.
El uranio-235 va desapareciendo del combustible debido a las fisiones; después de cierto tiempo de funcionamiento del reactor es necesario recambiar el combustible. Esta operación se logra sacando algunas de las vainas que contienen el combustible y reemplazándolas por otras con combustible nuevo.

La generación de electricidad mediante reactores de fisión nuclear presenta grandes ventajas pero también serios inconvenientes. Entre las ventajas, las más importantes son que no producen contaminación directa de la atmósfera dado que no hay emisión de gases de combustión y que no dependen del suministro de combustibles fósiles que eventualmente han de agotarse. Los inconvenientes tienen que ver con el tipo de residuos que produce su operación, que consisten en material radiactivo (cuya peligrosidad persiste durante muchos miles de años), por esta razón es muy difícil su tratamiento. Además, hay que destacar las consecuencias extremadamente graves que tienen para las personas y el medio ambiente los eventuales accidentes que pueden ocurrir, y han ocurrido, en las centrales nucleares. Estas características compiten firmemente entre sí y hacen que el empleo de las centrales nucleares tenga tantos fervientes defensores como opositores.

Esquema de una central nuclear

La fusión nuclear se presenta como una fuente energética alternativa con muchos menos inconvenientes que la fisión y tantas o más ventajas. Actualmente, la construcción de una central nuclear en base a la fusión se presenta como un serio desafío tecnológico. La fusión se ha logrado en el laboratorio en condiciones muy especiales que no pueden ser llevadas a la escala necesaria para construir una central nuclear que sea económicamente rentable, es decir, que entregue más energía que la que consume y lo haga a un costo que compita con otros mecanismos de generación. El problema fundamental radica en que la única forma conocida de lograr fusión es comprimir un gas altamente recalentado, a temperaturas superiores a los millones de grados. Este proceso se logra mediante dispositivos llamados botellas magnéticas.
Recientemente, a principios de 1989, dos científicos reportaron haber descubierto un mecanismo mediante el cual se podía lograr la fusión nuclear a temperatura ambiente. El anuncio revolucionó a la comunidad científica internacional por las espectaculares consecuencias que esto tendría y se denominó fusión fría al fenómeno. Lamentablemente, pese a que innumerables grupos de investigadores de todo el mundo trataron de repetir el proceso, ninguno logró resultados positivos y actualmente se sospecha que los experimentos originales estuvieran mal hechos.

La datación arqueológica

El Carbono 14 (Ver Metodo)

La datación de una muestra arqueológica es el procedimiento por el cual se determina su antigüedad. El más conocido es el que emplea el isótopo carbono-14 y que permite determinar la edad de restos fósiles o piezas fabricadas por el hombre de hasta 50.000 años de antigüedad.
El carbono está presente en la atmósfera terrestre, formando dióxido de carbono, en tres variedades isotópicas: el carbono-12, -13 y -14. El carbono-12 y -13 son estables, sin embargo el segundo es muy raro: tan sólo 1 de cada 100 átomos de carbono es carbono-13. En cambio, el carbono-14 es radiactivo con un período de semidesintegración de 5700 años.

Al desintegrarse, el carbono-14 se transforma en nitrógeno-14 y emite radiación Beta y debería desaparecer paulatinamente de la atmósfera. Sin embargo, si bien se lo encuentra en proporción escasísima, hay evidencia de que ésta ha permanecido casi inalterada por muchas decenas de miles de años. Esto es debido a que también existe un mecanismo por el cual se forma carbono-14 a partir del nitrógeno-14. Este hecho tiene lugar en las capas más altas de la atmósfera y consiste en la transmutación del nitrógeno-14 en carbono-14 producida por la radiación cósmica. El carbono-14 así formado se combina con el oxígeno para dar dióxido de carbono y es transportado a las capas más bajas de la atmósfera por las corrientes de aire. Estos dos mecanismos, el de desintegración y el de creación, han llegado a un equilibrio: la cantidad de carbono-14 que se desintegra durante cierto tiempo es igual a la que se crea en ese tiempo. De tal modo la abundancia de carbono-14 en la atmósfera permanece constante.

Como bien sabes, durante el proceso de fotosíntesis las plantas toman dióxido de carbono de la atmósfera y asimilan el carbono a su organismo. Por este motivo, una parte del carbono que hay en las plantas será carbono-14. Cuando la planta muere, el carbono-14 de su organismo comienza a desaparecer lenta pero inevitablemente, debido a su desintegración.

El resultado de este complicado mecanismo es: ¡un fósil vegetal tiene incorporado su propio reloj! Para saber el tiempo que ha trascurrido desde su muerte bastará con medir la abundancia de carbono-14 que hay en él y que será tanto menor cuanto más tiempo haya transcurrido. Los físicos han podido establecer cuál es la ley que sigue esta disminución y confeccionaron tablas de la abundancia en función del tiempo. Por lo tanto, una vez conocida esa abundancia bastará con comparar el valor medido con esa tabla para saber la edad del fósil.

Como ya te imaginarás, este fenómeno que afecta el carbono que hay en las plantas también afecta a los animales pues, en algún paso de la cadena alimentada, ellos se nutren de las plantas. También afecta la composición del suelo, pues en la mayor parte de los casos las plantas al morir se integran a él. También a los utensilios y objetos creados por los hombres primitivos, como las vasijas de barro. Por estas razones, este método de datación sirve para analizar una variedad muy grande de muestras. Debemos decir, sin embargo, que falla cuando se trata de determinar edades de más de 50.000 años, en cuyo caso se emplean otros métodos.

Utilización en medicina y otras áreas
Aprovechando la acción destructiva de las radiaciones sobre la materia, los radioisótopos se emplean en medicina en el tratamiento contra el cáncer, radiando con cobalto-60 los tumores que se quieren eliminar .También se emplean en la esterilización de material médico y quirúrgico.

Los radioisótopos pueden introducirse en un organismo vivo o en cualquier otro material y puede seguirse su trayectoria a través de él. Por ello se emplean como trazadores o marcadores en investigaciones médicas, químicas, industriales, etc. Por ejemplo, el isótopo yodo -131 se utiliza en medicina para diagnosticar enfermedades de la tiroides. En química y biología, los isótopos radiactivos se utilizan para realizar estudios sobre velocidad y mecanismo de reacciones. En la industria, se emplean para localizar fugas en el transporte de fluidos, por ejemplo, en un oleoducto.

Desventajas del uso de radioisótopos
En contrapartida a su utilidad, el manejo de materiales radiactivos plantea problemas de difícil resolución. Entre ellos se destacan la eliminación de los residuos radiactivos que se producen y el control de la seguridad de las personas encargadas de su manipulación y de las comunidades próximas a las instalaciones nucleares. De hecho, un accidente nuclear de la magnitud del ocurrido en la central de Chernobil puede haber afectado, según algunas estimaciones, la salud de más de medio millón de personas, sin contar las enormes pérdidas materiales que ha originado.
(VER DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE LA FISIÓN DEL URANIO)

Los beneficios de la energía nuclear
La energía nuclear es cuestionada debido a los daños que puede causar al ambiente y a los seres vivos si no existe un control estricto de los reactores nucleares y de los desechos radiactivos, y por su utilización en la fabricación de armamento altamente destructivo. Sin embargo, la energía nuclear puede tener múltiples usos beneficiosos para la humanidad, no solo en la generación de energía eléctrica —una fuente de energía menos contaminante que el petróleo o el carbón—. sino también por su aplicación en otras áreas de la actividad científica y productiva. Entre ellas:

1 | Agricultura y alimentación
a) Control de plagas. En la llamada técnica de los insectos estériles se suministran altas emisiones de radiación para esterilizar insectos machos en laboratorio y que no dejen descendencia al aparearse. De este modo es posible controlar su población sin utilizar productos químicos nocivos.

b) Mutaciones. La irradiación aplicada a semillas permite cambiar la información genética de ciertas variedades de vegetales para obtener nuevas variedades con características particulares.

c) Conservación de alimentos. Las radiaciones son utilizadas para eliminar microorganismos patógenos presentes en los alimentos y aumentar, de este modo, su período de conservación.

2 | Hidrología
Mediante técnicas nucleares, es posible desarrollar estudios sobre los recursos hídricos. Por ejemplo, caracterizar y medir corrientes de aguas, fugas en embalses, identificar el origen de las aguas subterráneas, etcétera.

3 | Medicina
Se utilizan radiaciones y radioisótopos como agentes terapéuticos y de diagnóstico. En el diagnóstico, se utilizan fármacos radiactivos para estudios de tiroides, hígado, riñon, para mediciones de hormonas, enzimas, etcétera. En terapia médica se pueden combatir ciertos tipos de cáncer con resultados exitosos, especialmente cuando se detectan tempranamente.

4 | Medio ambiente
Se utilizan técnicas nucleares para la detección y análisis de diversos contaminantes del medio ambiente.

5 | Industria e investigación
a) Trazadores. Se elaboran sustancias radiactivas que son introducidas en un determinado proceso y, luego, se detecta la trayectoria de la sustancia por su emisión radiactiva. En el ámbito de la Biología, la introducción de compuestos radiactivos marcados ha permitido observar las actividades biológicas hasta en sus más mínimos detalles.

b) Imágenes. Es posible obtener imágenes de piezas utilizando radiografías que reciben el nombre de gammagrafía y neutrografía. Por ejemplo, se puede comprobar la calidad en piezas cerámicas, detectar la humedad en materiales de construcción, etcétera.

a) Datación. Se emplean técnicas isotópicas para determinar la edad en formaciones geológicas y arqueológicas. Por ejemplo, se utiliza la técnica de carbono-14, para determinar la edad de fósiles.

CRONOLOGÍA


1938 — Otto Hahn, Lise Meitner y Fritz Strassman descubren en Alemania la fisión nuclear del uranio.

1942 — Primera reacción nuclear en cadena en un laboratorio de Chicago dirigido por Enrico Fermi.

1945 — El bombardero Enola Gay lanza la primera bomba atómica de fisión nuclear sobre la ciudad japonesa de Hiroshima. Poco después, los Estados Unidos lanzan la segunda sobre Nagasaki.

1949 — La Unión Soviética realiza su primera prueba nuclear en Kazajstán.

1952 — Estados Unidos hace explotar su primera bomba de fusión nuclear en el atolón de Bikini, en el Océano Pacífico. Los británicos realizan su primera prueba en las islas australianas de Monte Bello.

1956 — Gran Bretaña pone en marcha su primera central nuclear comercial, en Sellafield, con una potencia de 50 Mw. Francia pone en marcha su primera central nuclear experimental, en Marcoule, en el departamento de Chusclan, en el Gard, con una potencia de 7 Mw.

1959 — Francia pone en marcha dos nuevos reactores nucleares en Chusclan, de 40 Mw cada una.

1960 — Francia realiza su primer ensayo nuclear en el desierto del Sahara.

1968 — España construye su primera central nuclear de las nueve que posee actualmente, se llama José Cabrera y se encuentra en el término municipal de Almonacid de Zorita, en Guadalajara, junto al río Tajo, con una potencia de 160 Mw.

Fuente Consultada: Físico Químico de Pilar Escudero y Otros

Los Rayos Catódicos El Láser El Átomo La Física Moderna

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