Energía nuclear

Archivo:Tokmak - ITER cut.jpg

Diseño por computador del interior del futuro reactor de fusión de confinamiento magnético ITER.

Se llama energía nuclear a aquella que se obtiene al aprovechar las reacciones nucleares espontáneas o provocadas por el hombre. Estas reacciones aparecen en algunos isótopos de ciertos elementos químicos, siendo el más conocido de este tipo de energía la fisión del ²³⁵U, con la que funcionan los reactores nucleares de las centrales nucleares. Sin embargo muchos otros pueden ser utilizados para producir esta energía aprovechando las distintas reacciones nucleares.

La energía desprendida en esos procesos nucleares suele aparecer en forma de partículas en movimiento. Esas partículas, al frenarse en la materia que las rodea, producen calor que posteriormente se aprovecha convirtiéndolo directamente en propulsión (como por ejemplo en los motores de los buques nucleares) mediante unas turbinas, o bien en electricidad que puede transportarse a largas distancias del lugar donde se produce.

Los dos sistemas con los que puede obtenerse energía nuclear de forma masiva son la fisión y la fusión. La energía que se obtiene puede usarse de forma descontrolada, dando lugar al armamento nuclear, o controlada en reactores nucleares en los que se produce electricidad o movimiento. Tanto la forma de los materiales usados, como el diseño necesario, son completamente diferentes en uno y en otro caso.

Otro sistema, empleado principalmente en sistemas que requieren poco consumo eléctrico, a modo de pilas de enorme duración, son los RTG, en los que se aprovechan los distintos modos de desintegración para generar electricidad en sistemas de termopares a partir del calor que genera la radiactividad.

La principal característica de este tipo de energía es su alta densidad, es decir, la gran cantidad de energía que puede producirse a partir de cada Kg de material utilizado en comparación con cualquier otro tipo de energía conocida por el hombre.

Historia

Las reacciones nucleares

Véanse también: Radiactividad, Fuerzas nucleares y Procesos nucleares.

Henri Becquerel.

Ya en 1896 Becquerel descubrió que algunos elementos químicos emitían radiaciones. Tanto él como Marie Curie y otros, estudiaron sus propiedades, descubriendo que estas radiaciones no consistían en la conocida radiación X, sino que existían varias radiaciones con propiedades distintas que denominaron alfa, beta y gamma.

Pronto se vio que todas estas reacciones provenían del núcleo atómico que describió Rutherford en 1911.

Con el uso del neutrino, partícula descrita en 1930 por Pauli pero no medida hasta 1956 por Clyde Cowan y sus colaboradores, consiguió describirse la radiación beta.

En 1932 James Chadwick descubrió la existencia del neutrón que Wolfgang Pauli había predicho en 1930, e inmediatamente después Enrico Fermi descubrió que ciertas radiaciones emitidas en fenómenos no muy comunes de desintegración eran en realidad neutrones. En 1934 Fermi se encontraba en un experimento bombardeando núcleos de uranio con los neutrones recién descubiertos. En 1938, en Alemania, Lise Meitner, Otto Hahn y Fritz Strassmann verificaron los experimentos de Fermi. Es más, en 1939 demostraron que parte de los productos que aparecían al llevar a cabo estos experimentos era bario. Muy pronto confirmaron que era resultado de la división de los núcleos de uranio: la primera observación experimental de la fisión. En Francia, Joliot Curie descubrió que además del bario, se emitían neutrones secundarios en esa reacción, haciendo factible la reacción en cadena.

También en 1932 Mark Oliphant teorizó sobre la fusión de núcleos ligeros (de hidrógeno), describiendo poco después Hans Bethe el funcionamiento de las estrellas en base a este mecanismo.

La fisión nuclear

De izda. a dcha.: J. Robert Oppenheimer, Enrico Fermi y E. O. Lawrence.

En plena segunda guerra mundial los alemanes descubrieron el potencial que estos fenómenos podrían suponer y comenzaron a desarrollar una bomba basada en la fisión: La bomba nuclear. Albert Einstein, en 1939, firmó una carta al presidente Franklin Delano Roosevelt de los EE.UU., escrita por Leó Szilárd, en la que se prevenía sobre este hecho.​

El 2 de diciembre de 1942, como parte del proyecto Manhattan dirigido por J. Robert Oppenheimer, se construyó el primer reactor del mundo hecho por el hombre (existió un reactor natural en Oklo): el Chicago Pile-1 (CP-1).

Como parte del mismo programa militar, se contruyó un reactor mucho mayor en Hanford, destinado a la producción de plutonio, y al mismo tiempo, un proyecto de enriquecimiento de uranio en cascada. El 16 de julio de 1945 fue probada la primera bomba nuclear (nombre en clave Trinity) en el desierto de Alamogordo. En esta prueba se llevó a cabo una explosión equivalente a 19.000.000 de Kg de TNT (19 kilotones), una potencia jamás observada anteriormente en ningún explosivo. Ambos proyectos desarrollados finalizaron con la construcción de dos bombas, una de uranio enriquecido y una de plutonio (Little Boy y Fat Man) que fueron lanzadas sobre las ciudades japonesas de Hiroshima (6 de agosto de 1945) y Nagasaki (9 de agosto de 1945) respectivamente. El 15 de agosto de 1945 acabó la segunda guerra mundial en el Pacífico con la rendición de Japón. Por su parte el programa de armamento nuclear alemán (liderado este por Werner Heisenberg), no alcanzó su meta antes de la rendición de Alemania el 8 de mayo de 1945.

Posteriormente se llevaron a cabo programas nucleares en la Unión Soviética (primera prueba de una bomba de fisión el 29 de agosto de 1949), Francia y Gran Bretaña, comenzando la carrera armamentística en ambos bloques creados tras la guerra, alcanzando límites de potencia destructiva nunca antes sospechada por el hombre (cada bando podía derrotar y destruir varias veces a todos sus enemigos).

Ya en la década de 1940, el almirante Hyman G. Rickover propuso la construcción de reactores de fisión no encaminados esta vez a la fabricación de material para bombas, sino a la generación de electricidad. Estos reactores se pensó (acertadamente) que podrían constituir un gran sustituto del diesel en los submarinos. Se construyó el primer reactor de prueba en 1953, botando el primer submarino nuclear (el USS Nautilus (SSN-571)) en 1955. El Departamento de Defensa Estadounidense propuso el diseño y construcción de un reactor nuclear utilizable para la generación eléctrica y propulsión en los submarinos a dos empresas distintas norteamericanas: General Electric y Westinghouse. Estas empresas desarrollaron los reactores de agua ligera tipo BWR y PWR respectivamente.

Estos reactores se han utilizado para la propulsión de buques, tanto de uso militar (submarinos, cruceros, portaaviones,...) como civil (rompehielos y cargueros), donde presentan potencia, reducción del tamaño de los motores, reducción en el almacenamiento de combustible y autonomía no mejorados por ninguna otra técnica existente.

Los mismos diseños de reactores de fisión se trasladaron a diseños comerciales para la generación de electricidad. Los únicos cambios producidos en el diseño con el transcurso del tiempo fueron un aumento de las medidas de seguridad, una mayor eficiencia termodinámica, un aumento de potencia y el uso de las nuevas tecnologías que fueron apareciendo.

Entre 1950 y 1960 Canadá desarrolló un nuevo tipo, basado en el PWR, que utilizaba agua pesada como moderador y uranio natural como combustible, en lugar del uranio enriquecido utilizado por los diseños de agua ligera. Otros diseños de reactores para su uso comercial utilizaron carbono (Magnox, AGR, RBMK o PBR entre otros) o sales fundidas (litio o berilio entre otros) como moderador. Este último tipo de reactor fue parte del diseño del primer avión bombardero (1954) con propulsión nuclear (el US Aircraft Reactor Experiment o ARE). Este diseño se abandonó tras el desarrollo de los misiles balísticos intercontinentales (ICBM).

Otros paises (Francia, Italia, Argentina entre otros) desarrollaron sus propios diseños de reactores nucleares para la generación eléctrica comercial.

En 1946 se construyó el primer reactor de neutrones rápidos (Clementine) en Los Álamos, con plutonio como combustible y mercurio como refrigerante. En 1951 se construyó el EBR-I, el primer reactor rápido con el que se consiguió generar electricidad. En 1996, el Superfénix o SPX, fue el reactor rápido de mayor potencia construido hasta el momento (1200 MWe). En este tipo de reactores se pueden utilizar como combustible los radioisótopos del plutonio, el torio y el uranio que no son fisibles con neutrones térmicos (lentos).

En la década de los 50 E.O. Lawrence propuso la posibilidad de utilizar reactores nucleares con geometrías inferiores a la criticidad (reactores subcríticos cuyo combustible podría ser el torio), en los que la reacción sería soportada por un aporte externo de neutrones. En 1993 Carlo Rubbia propone utilizar una instalación de espalación en la que un acelerador de protones produjera los neutrones necesarios para mantener la instalación. A este tipo de sistemas se les conoce como Sistemas asistidos por aceleradores (en inglés Accelerator driven systems, ADS sus siglas en inglés), y se prevé que la primera planta de este tipo (MYRRHA) comience su funcionamiento entre el 2016 y el 2018 en el centro de Mol (Bélgica).​

La fusión nuclear

Ya en la década de los 40, como parte del proyecto Manhattan, se estudió la posibilidad del uso de la fusión en la bomba nuclear. En 1942 se investigó la posibilidad del uso de una reacción de fisión como método de ignición para la principal reacción de fusión, sabiendo que podría resultar en una potencia miles de veces superior. Sin embargo, tras el fin de la segunda guerra mundial, el desarrollo de una bomba de estas características no fue considerado primordial. Hasta la explosión de la primera bomba nuclear rusa en 1949. Este evento provocó que en 1950 el presidente estadounidense Harry S. Truman anunciara el comienzo de un proyecto que desarrollara la bomba de hidrógeno. El 1 de noviembre de 1952 se probó la primera bomba nuclear (nombre en clave Mike, parte de la Operación hiedra), con una potencia equivalente a 10.400.000.000 de Kg de TNT (10.4 megatones). El 12 de agosto de 1953 la Unión Soviética realiza su primera prueba con un artefacto termonuclear (su potencia alcanzó algunos centenares de kilotones).

Archivo:Tokmak - ITER cut.jpg

Diseño del futuro reactor de fusión de confinamiento magnético ITER. Corte del interior.

Las condiciones que eran necesarias para alcanzar la ignición de un reactor de fusión controlado, sin embargo, no fueron derivadas hasta 1955 por John D. Lawson​. Los criterios de Lawson definieron las condiciones mínimas necesarias de tiempo, densidad y temperatura que debía alcanzar el combustible nuclear (núcleos de hidrógeno) para que la reacción de fusión se mantuviera. Sin embargo, ya en 1946 se patentó el primer diseño de reactor termonuclear​. En 1951 comenzó el programa de fusión de los EE.UU., sobre la base del stellarator. En el mismo año comenzó en la Unión Soviética el desarrollo del primer Tokamak, dando lugar a sus primeros experimentos en 1956. Este último diseño logró en 1968 la primera reacción termonuclear cuasiestacionaria jamás conseguida, demostrándose que era el diseño más eficiente conseguido hasta la época. ITER, el diseño internacional que tiene fecha de comienzo de sus operaciones en el año 2016 y que intentará resolver los problemas existentes para conseguir un reactor de fusión de confinamiento magnético, utiliza este diseño.

Cápsula de combustible preparada para el reactor de fusión de confinamiento inercial NIF, rellena de deuterio y tritio.

En 1962 se propuso otra técnica para alcanzar la fusión basada en el uso de láseres para conseguir una implosión en pequeñas cápsulas llenas de combustible nuclear (de nuevo núcleos de hidrógeno). Sin embargo hasta la década de los 70 no se desarrollaron láseres suficientemente potentes. Sus inconvenientes prácticos hicieron de esta una opción secundaria para alcanzar el objetivo de un reactor de fusión. Sin embargo, debido a los tratados internacionales que prohibían la realización de ensayos nucleares en la atmósfera, esta opción (básicamente microexplosiones termonucleares) se convirtió en un excelente laboratorio de ensayos para los militares, con lo que consiguió financiación para su continuación. Así se han construido el National Ignition Facility (NIF, con inicio de sus pruebas programadas para 2010) estadounidense y el Laser Megajoule (LMJ, que será completado en el 2010) francés, que persiguen el mismo objetivo de conseguir un dispositivo que consiga mantener la reacción de fusión a partir de este diseño. Ninguno de los proyectos de investigación actualmente en marcha predicen una ganancia de energía significativa, por lo que está previsto un proyecto posterior que pudiera dar lugar a los primeros reactores de fusión comerciales (DEMO para el confinamiento magnético e HiPER para el confinamiento inercial).

Otros sistemas de energía nuclear

Véase también: RTG

Con la invención de la pila química por Volta en 1800 se dio lugar a una forma compacta y portátil de generación de energía. A partir de entonces fue incesante la búsqueda de sistemas que fueran aun menores y que tuvieran una mayor capacidad y duración. Este tipo de pilas, con pocas variaciones, han sido suficientes para muchas aplicaciones diarias hasta nuestros tiempos. Sin embargo en el siglo XX surgieron nuevas necesidades, debido principalmente a los programas espaciales. Se precisaban entonces sistemas que tuvieran una duración elevada para consumos eléctricos moderados y un mantenimiento nulo. Surgieron varias soluciones (como los paneles solares o las células de combustible), pero según se incrementaban las necesidades energéticas y aparecían nuevos problemas (las placas solares son inútiles en ausencia de luz solar), se comenzó a estudiar la posibilidad de utilizar la energía nuclear en estos programas.

A mediados de la década de los 50 comenzaron en EE.UU. las primeras investigaciones encaminadas a estudiar las aplicaciones nucleares en el espacio. De estas surgieron los primeros prototipos de los Generadores termoeléctricos de radioisótopos (RTG). Estos dispositivos mostraron ser una alternativa sumamente interesante tanto en las aplicaciones espaciales como en aplicaciones terrestres específicas. En estos artefactos se aprovechan las desintegraciones alfa y beta, convirtiendo toda o gran parte de la energía cinética de las partículas emitidas por el núcleo en calor. Este calor es después transformado en electricidad aprovechando el efecto Seebeck mediante unos termopares, consiguiendo eficiencias aceptables (entre un 5 y un 40% es lo habitual). Los radioisótopos habitualmente utilizados son ²¹⁰Po, ²¹⁰Po, ²³⁸Pu, ²⁴¹Am, entre otros 30 que se consideraron útiles. Estos dispositivos consiguen capacidades de almacenamiento de energía 4 órdenes de magnitud superiores (10000 veces mayor) a las baterías convencionales.

En 1959 se mostró al público el primer generador atómico.​ Ya en 1961 se lanzó al espacio el primer RTG, a bordo del SNAP 3. Esta batería nuclear, que alimentaba a un satélite de la armada norteamericana con una potencia de 2,7 W, mantuvo su funcionamiento ininterrumpido durante 15 años.

RTG del New Horizons (en el centro abajo, en negro), misión no tripulada a Plutón. El satélite fue lanzado en enero del 2006 y alcanzará su objetivo en julio de 2015.

Estos sistemas se han utilizado y se siguen usando en programas espaciales muy conocidos (Pioneer, Voyager, Galileo, Apolo y Ulises entre otros). Así por ejemplo en 1972 y 1973 se lanzaron los Pioneer 10 y 11, convirtiéndose el primero de ellos en el primer objeto humano de la historia que abandonaba el sistema solar. Ambos satélites continuaron funcionando hasta 17 años después de sus lanzamientos.

La misión Ulises (misión conjunta ESA-NASA) se envió en 1990 para estudiar el Sol, siendo la primera vez que un satélite cruzaba ambos polos solares. Para poder hacerlo hubo que enviar el satélite en una órbita alrededor de Júpiter. Debido a la duración del RTG que mantiene su funcionamiento se prolongó la misión de modo que se pudiera volver a realizar otro viaje alrededor del Sol. Aunque pareciera extraño que este satélite no usara paneles solares en lugar de un RTG, puede entenderse al comparar sus pesos (un panel de 544 kg generaba la misma potencia que un RTG de 56). En aquellos años no existía un cohete que pudiera enviar a su órbita al satélite con ese peso extra.

Estas baterías no solo proporcionan electricidad, sino que en algunos casos, el propio calor generado se utiliza para evitar la congelación de los satélites en viajes en los que el calor del Sol no es suficiente, por ejemplo en viajes fuera del sistema solar o en misiones a los polos de la Luna.

En 1966 se instaló el primer RTG terrestre en la isla deshabitada Fairway Rock, permaneciendo en funcionamiento hasta 1995, momento en el que se desmanteló. Otros muchos faros situados en zonas inaccesibles cercanas a los polos (sobre todo en la Unión Soviética), utilizaron estos sistemas. Se sabe que la Unión Soviética fabricó más de 1000 unidades para estos usos.

Una aplicación que se dio a estos sistemas fue su uso como marcapasos. ​ Hasta los 70 se usaba para estas aplicaciones baterías de mercurio-zinc, que tenían una duración de unos 3 años. En esta década se introdujeron las baterías nucleares para aumentar la longevidad de estos artefactos, posibilitando que un paciente joven tuviera implantado solo uno de estos artefactos para toda su vida. En la década de los 60, la empresa Medtronic contactó con Alcatel para diseñar una batería nuclear, implantando el primer marcapasos alimentado con un RTG en un paciente en 1970 en París. Varios fabricantes construyeron sus propios diseños, pero a mediados de esta década fueron desplazados por las nuevas baterías de litio, que poseían vidas de unos 10 años (considerado suficiente por los médicos aunque debiera sustituirse varias veces hasta la muerte del paciente). A mediados de los 80 se detuvo el uso de estos implantes, aunque aún existen personas que siguen portando este tipo de dispositivos.

Fundamentos físicos

Gráfico de isótopos. En el eje x se representa el número de protones (Z) mientras que en el eje y el número de neutrones N. Los isótopos marcados en rojo son aquellos que pueden considerarse "estables".

1932 es el año en el que puede considerarse, con el descubrimiento del neutrón, que inicia la física nuclear moderna.

El modelo de átomo propuesto por Niels Bohr consiste en un núcleo central compuesto por partículas que concentran la práctica mayoría de la masa del átomo (neutrones y protones), rodeado por varias capas de partículas cargadas casi sin masa (electrones). Mientras que el tamaño del átomo resulta ser del orden del angstrom (10^-10 m), el núcleo puede medirse en fermis (10^-15 m), o sea, el núcleo es 100.000 veces menor que el átomo.

Todos los átomos neutros (carga eléctrica cero) poseen el mismo número de electrones que de protones. Es este, el número de protones que posee un núcleo, el que identifica de forma inequívoca el elemento químico del que se trata. Este número se llama número atómico (Z). El número de neutrones (N) sin embargo puede variar para un mismo elemento. Para valores bajos de Z ese número tiende a ser muy parecido al de protones, pero al aumentar Z se necesitan más neutrones para mantener la estabilidad del núcleo. A los átomos a los que solo les distingue el número de neutrones en su núcleo (en definitiva, su masa), se les llama isótopos. La masa atómica de un isótopo viene dada por A=Z+N u, el número de protones más el de neutrones que posee en su núcleo.

Para denominar un isótopo suele utilizarse la letra que indica el elemento químico, con un superíndice que es la masa atómica y un subíndice que es el número atómico (p. ej. el isótopo 238 del uranio se escribiría como ${}_{92}^{238}\!U$).

El núcleo

Véanse también: neutrón y Protón.

Los neutrones y protones que forman los núcleos tienen una masa aproximada de 1 u, estando el protón cargado eléctricamente con carga positiva +1, mientras que el neutrón no posee carga eléctrica. Teniendo en cuenta únicamente la existencia de las fuerzas electromagnética y gravitatoria, el núcleo sería inestable, haciendo imposible la existencia de la materia. Por este motivo (ya que es obvio que la materia existe) fue necesario añadir a los modelos una tercera fuerza: la fuerza fuerte (hoy en día fuerza nuclear fuerte residual). Esta fuerza debía tener como características, entre otras, que era atractiva a distancias muy cortas (solo en el interior de los nucleos), siendo repulsiva a distancias más cortas (del tamaño de un nucleón), que era central en cierto rango de distancias, que dependía del spin y que no dependía del tipo de nucleón (neutrones o protones) sobre el que actuaba. Fue Hideki Yukawa quién en 1935 dio una primera solución a esta nueva fuerza inventando una nueva partícula: el mesón. El más ligero de los mesones, el pión, es el responsable de la mayor parte del potencial entre nucleones de largo alcance (1 fm). El potencial de Yukawa (potencial OPEP) que describe adecuadamente esta parte de la fuerza fuerte se puede escribir como:

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

Otros experimentos que se realizaron sobre los núcleos indicaron que su forma debía de ser aproximadamente esférica de radio $R=1,5\cdot A^{1/3}$ fm, siendo A la masa atómica, es decir, la suma de neutrones y protones. Esto exige además que la densidad de los núcleos sea la misma ($V\alpha R^{3}\alpha A$, es decir el volumen es proporcional a A. Como la densidad se halla dividiendo la masa por el volumen $\rho ={\frac {A}{V}}=cte$ ). Esta característica llevó a la equiparación de los núcleos con un líquido, y por tanto al modelo de la gota líquida, fundamental en la comprensión de la fisión de los núcleos.

Energía de ligadura media por nucleón de los distintos elementos atómicos en función de su masa atómica.

La masa de un núcleo, sin embargo, no resulta exactamente de la suma de sus nucleones. Tal y como demostró Albert Einstein, la energía que mantiene unidos a esos nucleones se observa como una diferencia en la masa del núcleo, de forma que esa diferencia viene dada por la ecuación $E=m\cdot c^{2}$. Así, pesando los distintos átomos por una parte, y sus componentes por otra, puede determinarse la energía media por nucleón que mantiene unidos a los diferentes núcleos.

En la gráfica puede contemplarse como los núcleos muy ligeros poseen menos energía de ligadura que los que son un poquito más pesados (la parte izquierda de la gráfica). Esta característica es la base de la liberación de la energía en la fusión. Y al contrario, en la parte de la derecha se ve que los muy pesados tienen menor energía de ligadura que los que son algo más ligeros. Esta es la base de la emisión de energía por fisión. Como se ve, es mucho mayor la diferencia en la parte de la izquierda (fusión) que en la de la derecha (fisión).

Fisión

Distribución típica de las masas de los productos de fisión. La gráfica representa el caso del uranio 235.

Fermi, tras el descubrimiento del neutrón, realizó una serie de experimentos en los que bombardeaba distintos núcleos con estas nuevas partículas. En estos experimentos observó que cuando utilizaba neutrones de energías bajas, en ocasiones el neutrón era absorbido emitiéndose fotones. Para averiguar el comportamiento de esta reacción repitió el experimento sistemáticamente en todos los elementos de la tabla periódica. Así descubrió nuevos elementos radiactivos, pero al llegar al uranio obtuvo resultados distintos. Lise Meitner, Otto Hahn y Fritz Strassmann consiguieron explicar el nuevo fenómeno al suponer que el núcleo de uranio al capturar el neutrón se escindía en dos partes de masas aproximadamente iguales. De hecho detectaron bario, de masa aproximadamente la mitad que la del uranio. Posteriormente se averiguo que esa escisión (o fisión) no se daba en todos los isótopos del uranio, sino solo en el ²³⁵U. Y más tarde aun se supo que esa escisión podía dar lugar a muchísimos elementos distintos, cuya distribución de aparición es muy típica (similar a la doble joroba de un camello).

Esquema del fenómeno de la fisión del uranio-235. Un neutrón de baja velocidad (térmico) impacta en un núcleo de uranio desestabilizándolo. Este se divide en dos partes y además emite una media de 2.5 neutrones por fisión.

En la fisión de un núcleo de uranio, no solo aparecen dos núcleos más ligeros resultado de la división del de uranio, sino que además se emiten 2 o 3 (en promedio 2,5) neutrones a una alta velocidad (energía). Como el uranio es un núcleo pesado no se cumple la relación N=Z (igual número de protones que de neutrones) que sí se cumple para los elementos más ligeros, por lo que los productos de la fisión poseen un exceso de neutrones. Este exceso de neutrones hace inestables (radiactivos) a esos productos de fisión, que alcanzan la estabilidad al desintegrarse los neutrones excedentes por desintegración beta generalmente. La fisión del uranio 235 puede producirse en más de 40 formas diferentes, originándose por tanto más de 80 productos de fisión distintos, que a su vez se desintegran formando cadenas de desintegración, por lo que finalmente aparecen cerca de 200 elementos a partir de la fisión del uranio.

La energía desprendida en la fisión de cada núcleo de ²³⁵U es en promedio de 200 MeV. Los minerales explotados para la extracción del uranio suelen poseer contenidos de alrededor de 1 gramo de uranio por kg de mineral (la pechblenda por ejemplo). Como el contenido de ²³⁵U en el uranio natural es de un 0,7%, se obtiene que por cada kg de mineral extraido tendríamos $1,8\cdot 10^{19}$ átomos de ²³⁵U. Si fisionamos todos esos átomos (1 gramo de uranio) obtendríamos una energía liberada de $3,6\cdot 10^{27}eV=5,8\cdot 10^{8}J$ por gramo. En comparación, por la combustión de un kg de carbón de la mejor calidad (antracita) se obtiene una energía de unos $4\cdot 10^{7}J$, es decir, se necesitan más de 10 Toneladas del mejor carbón para obtener la misma energía contenida en 1 kg de uranio natural.

La aparición de los 2,5 neutrones por cada fisión posibilita la idea de llevar a cabo una reacción en cadena, si se logra hacer que de esos 2,5 al menos 1 neutrón consiga fisionar un nuevo núcleo de uranio. La idea de la reacción en cadena es habitual en otros procesos químicos. Los neutrones emitidos por la fisión no son útiles inmediatamente, sino que hay que frenarlos (moderarlos) hasta una velocidad adecuada. Esto se consigue rodeando los átomos por otro elemento con un Z pequeño, como por ejemplo hidrógeno, carbono o litio, material denominado moderador.

Otros átomos que pueden fisionar con neutrones lentos son el ²³³U o el ²³⁹Pu. Sin embargo también es posible la fisión con neutrones rápidos (de energías altas), como por ejemplo el ²³⁸U (140 veces más abundante que el ²³⁵U) o el ²³²Th (400 veces más abundante que el ²³⁵U).

La teoría elemental de la fisión la proporcionaron Bohr y Wheeler, utilizando un modelo según el cual los núcleos de los átomos se comportan como gotas líquidas.

La fisión se puede conseguir también mediante partículas alfa, protones o deuterones.

Fusión

Proceso de fusión entre un núcleo de deuterio y uno de tritio. Es la opción más adecuada para ser llevada a cabo en un reactor nuclear de fusión.

Así como la fisión es un fenómeno que aparece en la corteza terrestre de forma natural (si bien con una frecuencia pequeña), la fusión es absolutamente artificial en nuestro entorno. Sin embargo esta energía posee ventajas con respecto a la fisión. Por un lado el combustible es abundante y fácil de conseguir, y por otro, sus productos son elementos estables y ligeros.

En la fusión, al contrario que en la fisión donde se dividen los núcleos, la reacción consiste en la unión de dos o más núcleos ligeros. Esta unión da lugar a un núcleo más pesado que los usados inicialmente y a neutrones. La fusión se consiguió antes incluso de comprender completamente las condiciones que se necesitaban, limitándose a conseguir condiciones extremas de presión y temperatura usando una bomba de fisión. Pero no es hasta que Lawson define unos criterios de tiempo, densidad y temperatura mínimos ​ cuando se comienza a comprender el funcionamiento de la fusión.

Aunque en las estrellas la fusión se da entre una variedad de elementos químicos, el elemento con el que es más sencillo alcanzarla es el hidrógeno. El hidrógeno posee tres isótopos: el hidrógeno común (${}_{1}^{1}\!H$), el deuterio (${}_{1}^{2}\!H$) y el tritio (${}_{1}^{3}\!H$). Esto es así porque la fusión requiere que se venza la repulsión coulombiana que experimentan los núcleos al unirse, por lo que a menor carga eléctrica, menor será esta. Además, a mayor cantidad de neutrones, más pesado será el núcleo resultante (más arriba estaremos en la gráfica de las energías de ligadura), con lo que mayor será la energía liberada en la reacción.

Una reacción particularmente interesante es la fusión de deuterio y tritio:

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

En esta reacción se liberan 17,6 MeV por fusión, más que en el resto de combinaciones con isótopos de hidrógeno. Además esta reacción proporciona un neutrón muy energético que puede aprovecharse para generar combustible adicional para reacciones posteriores de fusión, utilizando litio, por ejemplo. La energía liberada por gramo con esta reacción es casi 1.000 veces mayor que la lograda en la fisión de 1 gramo de uranio natural (unas 7 veces superior si fuera un gramo de ²³⁵U puro).

Para vencer la repulsión coulombiana la energía cinética que es necesario que alcancen los núcleos a fusionar es de aproximadamente 10 keV. Estas energías se obtienen mediante un intenso calentamiento (igual que en las estrellas, donde se alcanzan temperaturas de 10⁸ K), que implica un movimiento de los átomos igual de intenso. Además de esa velocidad para vencer la barrera coulombiana, la probabilidad de que suceda debe ser elevada para que la reacción suceda. Eso implica que se deben poseer suficientes átomos con esa energía y además durante un tiempo mínimo. El criterio de Lawson define que el producto entre la densidad de núcleos con esa energía por el tiempo durante el que deben permanecer en ese estado debe ser $n\cdot \tau =10^{14}s\cdot nucleos\cdot cm^{-3}$.

Los dos métodos en desarrollo para aprovechar de forma útil la energía desprendida en esta reacción son el confinamiento magnético y el confinamiento inercial (con fotones que provienen de láseres o partículas que provienen de aceleradores).

Desintegración alfa

Representación de la emisión de una partícula alfa por un núcleo.

Esta reacción es una forma de fisión espontánea, en la que un núcleo pesado emite una partícula alfa (α) con una energía típica de unos 5 MeV. Una partícula α es un núcleo de helio, constituido por dos protones y dos neutrones. En su emisión el núcleo cambia, por lo que el elemento químico que sufre este tipo de desintegración muta en otro distinto. Una reacción natural típica es la siguiente:

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

En la que un átomo de ²³⁸U se transforma en otro de ²³⁴Th.

Fue en 1928 cuando George Gamow dio una explicación teórica a la emisión de estas partículas. Para ello supuso que la partícula alfa convivía en el interior del núcleo con el resto de los nucleones, de una forma casi independiente. Por efecto túnel en algunas ocasiones esas partículas superan el pozo de potencial que crea el núcleo, separándose de él a una velocidad de un 5% la velocidad de la luz.

Desintegración beta

Véase también: neutrino

Representación de una partícula beta emitida por un núcleo.

Existen dos modos de desintegración beta. En el tipo β⁻ la fuerza débil convierte un neutrón (n⁰) en un protón (p⁺) y al mismo tiempo emite un electrón (e⁻) y un antineutrino (${\bar {\nu }}_{e}$):

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

En el tipo β⁺ un protón se transforma en un neutrón emitiendo un positrón (e⁺) y un neutrino ($\nu _{e}$):

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

Sin embargo este último modo no se presenta de forma aislada, sino que necesita un aporte de energía.

La desintegración beta hace cambiar al elemento químico que la sufre. Por ejemplo, en la desintegración β⁻ el elemento se transforma en otro con un protón (y un electrón) más. Así en la desintegración del ¹³⁷Cs por β⁻ aparece ¹³⁷Ba.

Fue Fermi quien en 1934 consiguió crear un modelo de esta desintegración que respondía correctamente a su fenomenología.

Armas nucleares

Véanse también: Arma nuclear, Bomba atómica y Propulsión nuclear.

Un arma es todo instrumento, medio o máquina que se destina a atacar o a defenderse.​ Según tal definición, existen dos categorías de armas nucleares:

1. Aquellas que utilizan la energía nuclear de forma directa para el ataque o la defensa, es decir, los explosivos que usan la fisión o la fusión.
2. Aquellas que utilizan la energía nuclear para su propulsión, pudiendo a su vez utilizar o no munición que utilice la energía nuclear para su detonación. En esta categoría se pueden citar los buques de guerra de propulsión nuclear (cruceros, portaviones, submarinos, bombarderos, etc.).

Bomba atómica

Existen dos formas básicas de utilizar la energía nuclear desprendida por reacciones en cadena descontroladas de forma explosiva: la fisión y la fusión.

Bomba de fisión

Métodos utilizados para crear una masa crítica del elemento físil empleado en la bomba de fisión.

El 16 de julio de 1945 se produjo la primera explosión de una bomba de fisión creada por el hombre: La Prueba Trinity.

Existen dos tipos básicos de bombas de fisión: utilizando uranio altamente enriquecido (enriquecimiento superior al 90% en ²³⁵U) o utilizando plutonio. Ambos tipos se fundamentan en una reacción de fisión en cadena descontrolada y solo se han empleado en un ataque real en Hiroshima y Nagasaki, al final de la Segunda Guerra Mundial.

Para que este tipo de bombas funcionen es necesario utilizar una cantidad del elemento utilizado superior a la Masa crítica. Suponiendo una riqueza en el elemento del 100%, eso suponen 52 kg de ²³⁵U o 10 kg de ²³⁹Pu. Para su funcionamiento se crean 2 o más partes subcríticas que mediante un explosivo químico convencional se unen de forma que se supere la masa crítica.

Los dos problemas básicos que se debieron resolver para crear este tipo de bombas fueron:

1. Generar suficiente cantidad del elemento físil a utilizar, ya sea uranio enriquecido o plutonio puro.
2. Alcanzar un diseño en el que el material utilizado en la bomba no sea destruido por la primera explosión antes de alcanzar la criticidad.

El rango de potencia de estas bombas se sitúa entre aproximadamente el equivalente a una tonelada de TNT hasta los 500.000 kilotones.

Bomba de fusión

Diseño básico Teller-Ullam

Tras el primer ensayo exitoso de una bomba de fisión por la Unión Soviética en 1949 se desarrolló una segunda generación de bombas nucleares que utilizaban la fusión. Se la llamó bomba termonuclear, bomba H o bomba de hidrógeno. Este tipo de bomba no se ha utilizado nunca contra ningún objetivo real. El llamado diseño Teller-Ullam (o secreto de la bomba H) separa ambas explosiones en dos fases.

Este tipo de bombas pueden ser miles de veces más potentes que las de fisión. En teoría no existe un límite a la potencia de estas bombas, siendo la de mayor potencia explotada la bomba del Zar, de una potencia superior a los 50 megatones.

Las bombas de hidrógeno utilizan una bomba primaria de fisión que genera las condiciones de presión y temperatura necesarios para comenzar la reacción de fusión denúcleos de hidrógeno. Debido a que los únicos productos radiactivos que generan estas bombas son los producidos en la explosión primaria de fisión, por lo que a veces se le ha llamado 'bomba nuclear limpia. El extremo de esta característica son las llamadas bombas de neutrones o bomba N, que minimizan la bomba de fisión primaria, logrando un mínimo de productos de fisión. Estas bombas además se diseñaron de tal modo que la mayor cantidad de energía liberada sea en forma de neutrones, con lo que su potencia explosiva es la décima parte que una bomba de fisión. Fueron concebidas como armas anti-tanque, ya que al penetrar los neutrones en el interior de los mismos, matan a sus ocupantes por las radiaciones.

Buques militares de propulsión nuclear

Véase también: Propulsión nuclear marina

Durante la segunda guerra mundial se comprobó que el submarino podía ser un arma decisiva, pero poseía un grave problemas a resolver: su necesidad de emerger tras cortos periodos de tiempo para obtener aire para la combustión del diesel en que se basaban sus motores (la invención del snorkel mejoró algo el problema, pero no lo solucionó). El Almirante Hyman G. Rickover fue el primero que pensó que la energía nuclear podría ayudar con este problema.

USS Enterprise (CVN-65) junto con otros buques de apoyo de propulsión nuclear (un crucero y un destructor) en el Mediterraneo. La tripulación forma en su cubierta la famosa fórmula de Einstein E=mc² sobre la equivalencia masa-energía.

Los desarrollos de los reactores nucleares permitieron un nuevo tipo de motor con ventajas fundamentales:

1. No precisa aire para el funcionamiento del motor, ya que no se basa en la combustión.
2. Una pequeña masa de combustible nuclear permite una autonomía de varios meses (años incluso) sin repostar. Los submarinos de EE.UU. por ejemplo, no necesitan repostar durante toda su vida útil.
3. Un empuje que ningún otro motor puede equiparar, con lo que pudieron construirse submarinos mucho más grandes que los existentes hasta el momento. El mayor submarino construido hasta la fecha son los de la clase Akula rusos (desplazamiento de 48 mil toneladas, 175 m de longitud).

Estas ventajas condujeron a buques que alcanzan velocidades de más de 25 nudos, que pueden permanecer semanas en inmersión profunda y que además pueden almacenar enormes cantidades de munición (nuclear o convencional) en sus bodegas.

En los submarinos se han utilizado reactores de agua a presión, de agua en ebullición o de sales fundidas. Para conseguir reducir el peso del combustible en estos reactores se usa uranio con altos grados de enriquecimiento (del 30 al 40% en los rusos o del 96% en los estadounidenses). Estos reactores presentan la ventaja de que no es necesario (aunque sí es posible) convertir el vapor generado por el calor en electricidad, sino que puede utilizarse de forma directa sobre una turbina que proporciona el movimiento a las hélices que impulsan el buque, mejorando notablemente el rendimiento.

Se han construido una gran variedad de buques militares que implementan motores nucleares y que, en algunos casos, portan a su vez misiles de medio o largo alcance con cabezas nucleares:

• Cruceros. Como el USS Long Beach (CGN-9), 2 reactores nucleares integrados tipo C1W.
• Destructores. Como el USS Bainbridge (CGN-25) fue el buque de propulsión nuclear más pequeño jamás construido, usa 2 reactores nucleares integrados tipo D2G.
• Portaviones. El más representativo es el USS Enterprise (CVN-65), construido en 1961 y aun operativo, que utiliza para su propulsión 8 reactores nucleares tipo A2W.
• Submarinos balísticos. Utilizan la energía nuclear como propulsión y misiles de medio o largo alcance como armamento. La clase Akula son de este tipo, utilizando 2 reactores nucleares tipo OK-650 y portando además de otro armamento convencional 20 misiles nucleares RSM-52, cada uno con 10 cabezas nucleares de 200 kilotones cada una.
• Submarinos de ataque. Como el USS Seawolf (SSN-21) de la clase Seawolf que usa un reactor nuclear integrado PWR tipo S6W. Alcanza una velocidad de 30 nudos.

Poseen buques de propulsión nuclear EE.UU., Gran Bretaña, Rusia, China y Francia.

Aviones militares de propulsión nuclear

Tanto los EE.UU. como la Unión Soviética se plantearon la creación de una flota de bombarderos de propulsión nuclear. De este modo se pretendía mantenerlos cargados con cabezas nucleares y volando de forma permanente cerca de los objetivos prefijados. Con el desarrollo del Misil balístico intercontinental (ICBM) a finales de los 50, más rápidos y baratos, sin necesidad de pilotos y virtualmente invulnerables, se abandonaron todos los proyectos.

Los proyectos experimentales fueron:

• Convair X-6. Proyecto estadounidense a partir de un bombardero B-36. Llegó a tener un prototipo (el NB-36H) que realizó 47 vuelos de prueba de 1955 a 1957, año en el que se abandonó el proyecto. Se utilizó un reactor de fisión de 3 MW refrigerado con aire que solo entró en funcionamiento para las pruebas de los blindajes, nunca propulsando el avión.
• Tupolev Tu-119. Proyecto soviético a partir de un bombardero Tupolev Tu-95. Tampoco pasó de la etapa de pruebas.

La guerra fría

Véanse también: Guerra Fría#Carrera Armamentista y Estrategia de las armas nucleares.

Cantidad de cabezas nucleares en cada uno de los bandos. Esta cantidad no es directamente proporcional a la potencia explosiva del arsenal. Los máximos corresponden a 32.040 cabezas para EE.UU. y 45.000 para la Unión Soviética.

Al finalizar la segunda guerra mundial, el equilibrio entre los dos bandos creados era precario, lo que condujo a un incremento por ambas partes del potencial militar.

Por supuesto, dada la capacidad destructiva del armamento nuclear, fue de la máxima prioridad para ambos no solo poseer esta tecnología sino poder vencer al adversario en caso de una guerra en la que se usara este armamento. Esto se tradujo inicialmente en tener más cabezas nucleares y cada vez más potentes. En la década de los 80 la potencia nuclear desplegada solo por EE.UU. y la Unión Soviética era de más de 10.000 megatones, es decir, unas 2 toneladas de TNT por habitante.

No solo dependía la victoria de la potencia que se poseía sino de la rapidez con la que podía hacer llegar esa potencia a cualquier enemigo. Esto conllevaba el desarrollo de vectores más rápidos y con mayor capacidad: Submarinos, bombarderos, Misiles de largo alcance, etc.

Esta estrategia tuvo su punto final al alcanzar el punto de la Destrucción mutua asegurada (MAD en inglés) a principios de los 70. Llegados a ese punto ambos bandos eran capaces de destruir completamente a todos sus enemigos (a sabiendas de que serían absolutamente destruidos a su vez, por supuesto).

El único método de esquivar la destrucción propia consistía en la creación de un escudo que fuera capaz de destruir el armamento atómico enemigo.

Véase también: Escudo Antimisiles

El Tratado de No Proliferación Nuclear (TNP)

Inmediatamente tras el final de la segunda guerra mundial (en la administración Truman) Estados Unidos comenzó a plantear la no proliferación nuclear. Así en 1946 se presentó el Plan Baruch ante la ONU.​ El Plan fue inicialmente vetado por la Unión Soviética.

En 1953 Eisenhower presenta en las Naciones Unidas su proyecto Átomos para la Paz, del que surgió como resultado la creación del OIEA en 1957. Bajo ese programa se formaron miles de científicos de todo el mundo en tecnología nuclear (algunos de ellos dieron comienzo a programas secretos de armamento nuclear al regresar a sus países).

Realmente no se buscó un acuerdo efectivo para evitar la propagación mundial del armamento nuclear hasta que cuatro naciones (EE.UU.-1945, la Unión Soviética-1949, Gran Bretaña-1952 y Francia-1960) hubieron desarrollado su propio programa de armamento atómico. Tampoco entonces se puso mucho ahinco en llevarlo a la práctica, pero en 1964 China hizo detonar su primera bomba nuclear.

Dieciocho naciones redactaron el TNP y lo presentan a las Naciones Unidas, que fue firmado el 1 de julio de 1968. El TNP, sin embargo, no entraba en vigor hasta marzo de 1970. Hasta el año 1992 no lo firman las 5 potencias nucleares reconocidas en el tratado. Hoy en día hay 189 países que lo han firmado, y solo 4 (India, Paquistán, Corea del Norte e Israel) que no lo han firmado. El primer país que lo firmó fue Finlandia.

El tratado se fundamenta en tres pilares básicos:

1. La no proliferación: Solo se reconocen 5 potencias nucleares (EE.UU., URSS ahora Rusia, Gran Bretaña, Francia y China). Esas 5 naciones además son los únicos miembros permanentes del Consejo de Seguridad de la ONU. Estas naciones se comprometen a no transferir la tecnología del armamento nuclear ni inducir a su desarrollo a las naciones no nucleares. Por su parte las naciones no nucleares que firman el TNP se comprometen a no recibir, fabricar o comprar armamento nuclear, ni a buscar o recibir ayuda en su desarrollo. También se comprometen a recibir la vigilancia del OIEA para asegurar que los legítimos esfuerzos de desarrollo pacífico de la energía nuclear no se destinan al desarrollo de armamento nuclear.
2. El desarme: El TNP habla del deseo de detener la producción de armamento nuclear y urge a las naciones firmantes a perseguir negociaciones para el cese de la carrera nuclear y el desarme nuclear bajo un estricto control internacional.
3. El uso pacífico de la energía nuclear: El TNP reconoce el derecho de todas las naciones soberanas al uso de la energía nuclear con fines pacíficos, pero restringe su uso al cumplimiento del primero de los pilares. Esta parte del TNP deja la puerta abierta al enriquecimiento de uranio para su uso en las centrales nucleares comerciales, cuestión esta controvertida por ser una tecnología que puede llevar fácilmente al desarrollo de armamento nuclear.

Propulsión nuclear civil

Véase también: Propulsión nuclear

La energía nuclear se utiliza desde los años 50 como sistema para dar empuje (propulsar) distintos sistemas, desde los submarinos (el primero que utilizó la energía nuclear), hasta naves espaciales en desarrollo en este momento.

Buques nucleares civiles

Véase también: Propulsión nuclear marina

El NS Savannah, el primer buque de mercancías y pasajeros jamás construido, fue botado en 1962 y desguazado 8 años más tarde por su inviabilidad económica.

Tras el desarrollo de los buques de propulsión nuclear de uso militar se hizo pronto patente que existían ciertas situaciones en las que sus características podían ser trasladadas a la navegación civil.

Se han construido cargueros y rompehielos que usan reactores nucleares como motor.

El primer buque nuclear de carga y pasajeros fue el NS Savannah, botado en 1962. Solo se contruyeron otros 3 buques de carga y pasajeros: El Mutsu japonés, el Otto Hahn alemán y el Sevmorput ruso. El Sevmorput (acrónimo de 'Severnii Morskoi Put'), botado en 1988 y dotado con un reactor nuclear tipo KLT-40 de 135 MW, sigue en activo hoy en día transitando la ruta del mar del norte.

Rusia ha construido 9 rompehielos nucleares desde 1959 hasta 2007, realizando recorridos turísticos, viajando hacia el polo norte, desde 1989. El coste de uno de sus viajes es de 25.000 dólares por un viaje de 3 semanas.

Propulsión aeroespacial

Véase también: propulsión nuclear aeroespacial

Recreación artística del Proyecto Orión.

Aunque existen varias opciones que pueden utilizar la energía nuclear para propulsar cohetes espaciales, solo algunas han alcanzado niveles de diseño avanzados.

El cohete termonuclear, por ejemplo, utiliza hidrógeno recalentado en un reactor nuclear de alta temperatura, consiguiendo empujes al menos dos veces superiores a los cohetes químicos. Este tipo de cohetes se probaron por primera vez en 1959 (el Kiwi 1), dentro del Proyecto Nerva, cancelado en 1972. En 1990 se relanzó el proyecto bajo las siglas SNTP (Space Nuclear Thermal Propulsion) dentro del proyecto para un viaje tripulado a Marte en 2019. En 2003 comenzó con el nombre de Proyecto Prometeo. Otra de las posibilidades contempladas es el uso de un reactor nuclear que alimente a un propulsor iónico (el Nuclear Electric Xenon Ion System o 'NEXIS').

El Proyecto Orión​ fue un proyecto ideado por Stanisław Ulam en 1947, que comenzó en 1958 en la empresa General Atomics. Su propósito era la realización de viajes interplanetarios de forma barata a una velocidad de un 10% de c. Para ello utilizaba un método denominado propulsión nuclear pulsada (External Pulsed Plasma Propulsion es su denominación oficial en inglés). El proyecto fue abandonado en 1963, pero el mismo diseño se ha utilizado como base en el Proyecto Dédalo​ británico con motor de fusión, el Proyecto Longshot​ americano con motor de fisión acoplado a un motor de fusión inercial o el Proyecto Medusa.

También se ha propuesto el uso de RTG como fuente para un cohete de radioisótopos.​

Automovil nuclear

Véanse también: Ford Nucleon y Célula de combustible.

La única propuesta conocida es el diseño conceptual lanzado por Ford en 1958: el Ford Nucleon.​ Nunca fue constuido un modelo operacional. En su diseño se proponía el uso de un pequeño reactor de fisión que podía proporcionar una autonomía de más de 8.000 km. Un prototipo del coche se mantiene en el museo Henry Ford.

Una opción, incluida en las alternativas al petróleo, es el uso del hidrógeno en células de combustible como combustible para los vehículos. Se está investigando en este caso el uso de la energía nuclear para la generación del hidrógeno necesario mediante reacciones termoquímicas o de electrolisis con vapor a alta temperatura.​​

Generación de electricidad

Probablemente la aplicación práctica más conocida de la energía nuclear es la generación de electricidad para su uso civil, en particular mediante la fisión de uranio enriquecido. Para ello se utilizan reactores en los que se hace fisionar o fusionar un combustible. El funcionamiento básico de este tipo de instalaciones industriales es idéntico a cualquier otra central térmica, sin embargo poseen características especiales con respecto a las que usan combustibles fósiles:

• Se necesitan medidas de seguridad y control mucho más estrictas. En el caso de la fisión asistida con aceleradores estas medidas podrían ser menores.
• La cantidad de combustible necesario anualmente en estas instalaciones es varios órdenes de magnitud inferior al que precisan las térmicas convencionales.
• Las emisiones directas de gases de efecto invernadero en la generación de electricidad son nulas.

A partir de la fisión

Véase también: Fisión nuclear

Tras su uso exclusivamente militar se comenzó a plantear aplicar el conocimiento adquirido a la vida civil. El 20 de diciembre de 1951 fue el primer día que se consiguió generar electricidad con un reactor nuclear (en el reactor americano EBR-I, con una potencia de unos 100 kW), pero no fue hasta 1954 cuando se conectó a la red eléctrica una central nuclear (fue la central nuclear rusa Obninsk, generando 5 MWe con solo un 17% de rendimiento térmico). El primer reactor de fisión comercial fue el Calder Hall en Sellafield, que conectó a la red eléctrica en 1956. En 1957 se crea la Comunidad Europea de la Energía Atómica (EURATOM), el mismo día que se crea la Comunidad Económica Europea, entre Bélgica, Francia, Alemania, Italia, Luxemburgo y los Países Bajos. Ese mismo año se crea el Organismo Internacional de Energía Atómica (OIEA). Ambos organismos con la misión (entre otras) de impulsar el uso pacífico de la energía nuclear.

Evolución de las centrales nucleares de fisión en el mundo. Arriba, potencia instalada (azul) y potencia generada (rojo). Abajo, número de reactores construidos y en construcción (azul y gris respectivamente.

Su desarrollo en todo el mundo experimentó a partir de ese momento un crecimiento espectacular, de forma muy particular en Francia y Japón, donde la crisis del petróleo de 1973 influyó definitivamente, ya que su dependencia en el petróleo para la generación eléctrica era muy marcada (39 y 73% en aquellos años, hoy generan un 80 y un 30% respectivamente mediante reactores de fisión). En 1979 el accidente de Three Mile Island provocó un aumento muy considerable en las medidas de control y de seguridad en las centrales, sin embargo no se detuvo el aumento de capacidad instalada. Pero en 1986 el accidente de Chernóbil, en un reactor RBMK de diseño ruso que no cumplía ningún requisito de seguridad impuesto en occidente, acabó radicalmente con ese crecimiento.

En octubre de 2007 existían 439 centrales nucleares en todo el mundo que generaron 2,7 millones de MWh en 2006. La potencia instalada en 2007 es de 370.721 MWe. Existen planes para construir próximamente 94 nuevas centrales (101.595 MWe) y se han propuesto otras 222.​

La mayoría de estos reactores son de los llamados de agua ligera (LWR su acrónimo en inglés), que utilizan como moderador agua común (aunque muy pura). En estos reactores el combustible utilizado es uranio enriquecido ligeramente (entre el 3 y el 5%).

Más tarde se planteó añadir el plutonio fisible generado (${}_{94}^{239}Pu$) como combustible extra en estos reactores de fisión, aumentando de una forma importante la eficiencia del combustible nuclear y reduciendo así uno de los problemas del combustible gastado. Esta posibilidad incluso llevó al uso del plutonio procedente del armamento nuclear desmantelado en las principales potencias mundiales. Así se desarrolló el combustible MOX, en el que se añade un porcentaje (entre un 3 y un 10% en masa) de este plutonio a uranio empobrecido. Este combustible se usa actualmente como un porcentaje del combustible convencional (de uranio enriquecido). También se ha ensayado en algunos reactores un combustible mezcla de torio y plutonio, que genera una menor cantidad de transuránidos.

Otros reactores utilizan agua pesada como moderador. En estos reactores se puede utilizar uranio natural, es decir, sin enriquecer y además se produce una cantidad bastante elevada de tritio por activación neutrónica. Este tritio se prevé que pueda aprovecharse en futuras plantas de fusión.

Otros proyectos de fisión, que no han superado hoy en día la fase de experimentación, se encaminan al diseño de reactores en los que pueda generarse electricidad a partir de otros isótopos, principalmente el ${}_{90}^{232}Th$ y el ${}_{92}^{238}U$.

Tipos de reactor

Véanse también: PWR, BWR, CANDU, AGR y Reactor reproductor rápido ().

La diferencia básica entre los distintos diseños de reactores nucleares de fisión es el combustible que utilizan. Esto influye en el tipo de moderador y refrigerante usados. De entre todas las posibles combinaciones entre tipo de combustible, moderador y refrigerante, solo algunas son viables técnicamente (unas 100 contando las opciones de neutrones rápidos). Pero solo unas cuantas se han utilizado hasta el momento en reactores de uso comercial para la generación de electricidad (ver tabla).

Tipos de reactores nucleares de fisión comerciales (neutrones térmicos) Combustible Moderador Refrigerante Uranio natural Grafito Aire CO2 H2O (agua ligera) D2O (agua pesada) Uranio natural D2O (agua pesada) Compuestos orgánicos H2O (agua ligera) D2O (agua pesada) Gas Uranio enriquecido Grafito Aire CO2 H2O (agua ligera) D2O (agua pesada) sodio Uranio enriquecido D2O (agua pesada) Compuestos orgánicos H2O (agua ligera) D2O (agua pesada) Gas Uranio enriquecido H2O (agua ligera) H2O (agua ligera)

El único isótopo natural que es fisionable con neutrones térmicos es el ${}_{92}^{235}U$, que se encuentra en una proporción de un 0.7% en peso en el uranio natural. El resto es ${}_{92}^{238}U$, considerado fértil, ya que, aunque puede fisionar con neutrones rápidos, por activación con neutrones se convierte en ${}_{94}^{239}Pu$, que sí es físil mediante neutrones térmicos.

Los reactores de fisión comerciales, tanto de primera como de segunda o tercera generación, utilizan uranio con grados de enriquecimiento distinto, desde uranio natural hasta uranio ligeramente enriquecido (por debajo del 6%). Además, en aquellos en los que se usa uranio enriquecido, la configuración del núcleo del reactor utiliza diferentes grados de enriquecimiento, con uranio más enriquecido en el centro y menos hacia el exterior. Esta configuración consigue dos fines: por una parte disminuir los neutrones de fuga por reflexión, y por otra parte aumentar la cantidad de ${}_{94}^{239}Pu$ consumible. En los reactores comerciales se hacen fisionar esos átomos fisibles con neutrones térmicos hasta el máximo posible (al grado de quemado del combustible se le denomina burnup), ya que se obtienen mayores beneficios cuanto más provecho se saca del combustible.

Otro isótopo considerado fértil con neutrones térmicos es el torio (elemento natural, compuesto en su mayoría por el isótopo ${}_{90}^{232}Th$), que por activación produce ${}_{92}^{233}U$, físil con neutrones térmicos y rápidos (es regla general que aquellos elementos con número atómico A impar sean fisibles, y con A par fértiles).

Esos tres isótopos son los que producen fisiones exoergicas, es decir, generan más energía que la necesaria para producirlas, con neutrones térmicos. Los demás elementos (con z<92) solo fisionan con neutrones rápidos. Así el ${}_{92}^{238}U$ por ejemplo puede fisionarse con neutrones de energías superiores a 1,1 MeV.

Aunque hay varias formas de clasificar los distintos reactores nucleares, la más utilizada, y con la que se denominan los distintos tipos de reactores de fisión es por la combinación moderador/refrigerante utilizado. Las combinaciones utilizadas en reactores comerciales pueden verse en la tabla siendo sus denominaciones más comunes:

• BWR y PWR (VVER en ruso): Llamados ambos tipos reactores de agua ligera (LWR). Utilizan uranio enriquecido, moderador y refrigerante agua ligera.
• GCR (Magnox): Uranio natural, moderador grafito, refrigerante CO₂.
• AGR: Evolución del GCR. Usa uranio enriquecido como combustible, moderador grafito, refrigerante CO₂.
• CANDU: Uranio natural, moderador y refrigerante agua pesada.
• RBMK: Uranio natural, moderador grafito, refrigerante agua ligera.

Reactores de tercera generación (evolución):

• PWR --> EPR, AP1000, VVER (?)
• BWR --> ABWR, ESBWR
• CANDU --> ACR-1000

Número de reactores de fisión en el mundo según su tipo:​

• PWR - 264
• BWR - 94
• CANDU - 43
• AGR - 18
• RBMK - 12
• FBR - 4
• Otros - 4

Seguridad

Véanse también: Edificio de contención, Accidente nuclear, Lista de accidentes nucleares y Lista de accidentes nucleares civiles.

Un problema que se suele achacar a los reactores de fisión es su peligrosidad. En ocasiones se indica la susceptibilidad de ser objetivos terroristas. También la posibilidad de que ocurran accidentes (como el de Chernóbil), del mismo modo que pueden ocurrir en otras instalaciones que fabrican productos tóxicos. Sin embargo, estas instalaciones poseen niveles de seguridad más elevados que la mayoría del resto de instalaciones industriales.

En las centrales nucleares occidentales se construyen estructuras de hormigón, acero, o una combinación de ambos que por una parte protegen al reactor y por otra parte evitan que en caso de fuga esta alcance la atmósfera exterior. Además se implementan una serie de medidas de seguridad al menos redundantes (es decir, repetidas), tales como duchas, elementos de refrigeración adicionales (por convección, aspersión,...), válvulas de seguridad duplicadas, etc.

Además estas centrales se sitúan en emplazamientos donde se conoce que la actividad sísmica ha sido nula en un plazo determinado y donde además no existen centros de población grandes en al menos 50 km a la redonda. También cada central nuclear posee planes de emergencia (uno interior y uno exterior) y planes de evacuación por si todo lo demás fallara.

A partir del 11-S, a pesar de que los edificios se reevaluaron para conocer si resistirían un ataque de ese tipo, todas las rutas de vuelos comerciales se modificaron para que ningún avión pasara por las inmediaciones de las centrales nucleares.

El control del funcionamiento correcto de estas instalaciones debe llevarlo a cabo una entidad independiente de las empresas y del propio gobierno de cada país. En España el organismo encargado de esta misión es el Consejo de Seguridad Nuclear (CSN), que no solo redacta la legislación aplicable, sino que desplaza dos inspectores que permanecen constantemente en cada central y vigilan cada operación llevada a cabo. Adicionalmente, este organismo debe auditar cada cambio llevado a cabo en el diseño base.

A partir de la fusión

La fusión es otra de las energías nucleares posibles, siendo estudiada en estos momentos la viabilidad de su aplicación en centrales de producción eléctrica como el ITER, el NIF u otras. Esta posibilidad promete ser la opción más eficiente y limpia de las conocidas por el hombre para generar electricidad. Sin embargo aun faltan varios años para poder ser utilizadas. La principal dificultad consiste en confinar una masa de materia en estado de plasma, ya que no hay recipiente capaz de soportar dichas temperaturas. Para solucionarla se está trabajando con alternativas como el confinamiento magnético y el confinamiento inercial.

El proyecto ITER, en el que participan entre otros Japón y la Unión Europea, pretende construir una central experimental de fusión y comprobar su viabilidad económica. El proyecto NIF, en una fase mucho más avanzada que ITER, pretende lo mismo en Estados Unidos usando el confinamiento inercial .

Tipos de reactor

Véanse también: confinamiento magnético y Confinamiento inercial.

Generación de calor y electricidad a partir de otras reacciones nucleares

Un método ampliamente utilizado en aquellas aplicaciones en las que se requiere un aporte eléctrico de baja corriente, con una larga duración, es el uso de Unidades de calor mediante radioisótopos (RHU por sus siglas en inglés) acoplados a una serie de termopares que proporcionan una corriente eléctrica, los llamados Generadores termoeléctricos de radioisótopos.

En este caso se aprovecha la radiactividad emitida por los núcleos de algunos isótopos. Los isótopos considerados más interesantes para este tipo de aplicación son aquellos que emiten partículas alfa (como por ejemplo el ²⁴¹Am o el ²¹⁰Po), ya que se reaprovechan más eficientemente las radiaciones emitidas, y es más sencillo su manejo. Sin embargo también se han utilizado emisores beta, como el ⁹⁰Sr.

Estos generadores suelen poseer duraciones de varias décadas, y son extremadamente útiles en aplicaciones en las que otras soluciones no lo son, por ejemplo, en zonas donde es difícil el mantenimiento o sustitución de las baterias y además no existe suficiente luz solar o viento. Por ejemplo se han utilizado en faros cercanos al polo norte en la antigua Unión Soviética y se utilizan frecuentemente en sondas espaciales. Una de sus aplicaciones más curiosas puede ser su uso en marcapasos.

En algunas sondas espaciales que deben permanecer a muy baja temperatura se utiliza simplemente su capacidad de generar calor, obviando la posibilidad de generación eléctrica.

El 15 de octubre de 1997 se lanzó la misión Cassini-Huygens con destino a Saturno y Titán, en la que se ensambló uno de estos dispositivos.​

Véase también: Cassini-Huygens

Tratamiento de residuos nucleares

Véanse también: Residuo nuclear, Reprocesamiento nuclear y Transmutación.

Los residuos más peligrosos generados en la fisión nuclear son las barras de combustible gastadas, en las que se generan radioisótopos que pueden permanecer radiactivos a lo largo de miles de años. Debe indicarse que un isótopo es más radioactivo cuanto menos duración tiene, y viceversa, es decir, un radioisótopo que posee un semiperiodo largo es poco radiactivo. Los isótopos más problemáticos son los transuránidos como el curio, el neptunio o el americio. También se generan residuos de alta actividad que deben ser vigilados, pero que tienen vidas medias cortas, es decir, duran pocos años y pueden ser controlados.

Se han desarrollado diferentes estrategias para tratar los residuos:

• Baja y media actividad: En este caso se trata de residuos con vida corta o poca radiactividad, suelen ser materiales utilizados en las operaciones normales de las centrales, como guantes, trapos, plásticos, etc. En general se hormigonan (fijan) y embidonan para ser almacenados durante un periodo de 300 años en almacenamientos controlados (en España este almacenamiento se encuentra en Córdoba: El Cabril).
• Alta actividad: Estos residuos, aunque de poco volumen, son altamente tóxicos inmediatamente después de ser generados. Para ellos se han desarrollado múltiples estrategias:

1. Almacenamiento temporal: En las propias centrales (a veces llamados ATI), durante la vida de la central (habitualmente 40 años), o en almacenamientos construidos a propósito (en España aún se encuentra en proyecto el ATC).
2. Reprocesamiento: En este proceso se lleva a cabo una separación fisico-química de los diferentes elementos, separando por una parte aquellos isótopos aprovechables en otras aplicaciones, civiles o militares (plutonio, uranio, cobalto, cesio entre otros). Es la opción más similar al reciclado. Sin embargo en el proceso no todos los elementos reciclados son totalmente reaprovechables (como el neptunio o el americio). Para estos, en un volumen mucho menor que el inicial, es necesario aun el uso de otras opciones como el almacenamiento geológico profundo.
3. Almacenamiento Geológico Profundo (AGP): Este proceso consiste en estabilizar las barras de combustible gastadas en contenedores que son resistentes a tratamientos muy severos que posteriormente se introducen en localizaciones similares a las minas, ya existentes (como en el caso de minas profundas), o construidas para tal fin. Suelen estar en matrices geológicas de las que se sabe que han sido estables durante millones de años. Las más comunes son calizas, graníticas o salinas. En estos AGP las barras de combustible, según su diseño, podrían permanecer durante todo el tiempo en que permanecen tóxicos sin afectar a las personas de la superficie. Su principal defecto es que sería muy difícil o imposible recuperar estos residuos para su uso útil (en el caso de que técnicas futuras puedan aprovechar eficientemente estos residuos, como ha ocurrido en múltiples ocasiones), .
4. Transmutación en Centrales nucleares de nueva generación (Sistemas Asistidos por Aceleradores o ADS en inglés): Estos sistemas usan torio como combustible adicional y degradan los desechos nucleares en un nuevo ciclo de fisión asistida y pueden ser además una alternativa viable para las necesidades energéticas de la población ante la dependencia del petróleo, aunque deberán vencer el rechazo de la población. Esta técnica es llamada también transmutación, y el primer proyecto será construido alrededor del 2014 (Myrrha).

Para gestionar los residuos radiactivos en España, tanto en las centrales nucleares como en el resto de instalaciones nucleares o radiactivas, se creó la Empresa Nacional de Residuos Radiactivos.

Energía nuclear en el mundo

Energía nuclear en España

Véanse también: Central nuclear#Centrales nucleares en España y Moratoria nuclear.

En 1965 se construyó la primera central nuclear en España, la Central nuclear José Cabrera.​ Actualmente se encuentran en funcionamiento ocho centrales nucleares: Santa María de Garoña, Almaraz I y II, Ascó I y II, Cofrentes, Vandellós II y Trillo.

Se paralizaron o no entraron en funcionamiento, una vez finalizadas, debido a la moratoria nuclear las centrales de Lemóniz, I y II, Valdecaballeros I y II y Trillo II. Se encuentran desmanteladas o en proceso de desmantelamiento Vandellós I y José Cabrera.

En las centrales nucleares españolas se registraron el siguiente número de sucesos notificables:​​​​

Gráfica con los datos de los sucesos notificados al CSN por las centrales nucleares españolas en el periodo 1997-2006 (véase la tabla adjunta).

Año	Número de sucesos notificables
1997	74 (?)
1998	44 (?)
1999	65
2000	55
2001	65
2002	80
2003	52
2004	39
2005	39
2006	66

En el año 2002 un tercio, el 33,9% de la energía eléctrica producida en España lo fue en nucleares con un total de 63.016 GWh. ​

Las previsiones de consumo de energía en España para el año 2010 son de 140 millones de toneladas equivalentes de petróleo y pese al avance de las energías renovables hay riesgos de que no se llegue a esas cotas previstas. Actualmente se vuelve a considerar como posible solución la nuclear para no reducir la oferta energética. ​

Se puede decir que desgraciadamente en España no hay carbón aceptable, ni petróleo, ni gas natural, ni muchas regiones de potencial eólico adecuado (de más de dos meses y medio de funcionamiento al año), por lo que la energía de fisión nuclear se hace necesaria. En iguales circunstancias se encuentra Francia, que ha sabido resolver el problema energético haciendo del mismo una razón de Estado y prescindiendo de cuestiones demagógicas y partidistas que tanto han dañado los intereses españoles.

Guillermo Velarde, científico nuclear español.​

Opinión pública

En sus inicios la energía nuclear, como sucede con cualquier nueva tecnología, fue acogida con un fragor popular.^{[cita requerida]} Así no solo se desarrolló armamento nuclear de todo tipo de forma indiscriminada, sino que se diseñaron múltiples artilugios nucleares que hacían incluso prever que se utilizaran de forma común incluso en todos los hogares y las novelas de la época daban por hecho que el futuro traería más aplicaciones cotidianas de la energía nuclear.^{[cita requerida]}

Las crisis del petroleo (continuara)

Ecologismo

Los atentados de los fundamentalistas de izquierdas (Lemóniz, el Superfénix...), el ecoterrorismo.

En el año 1986, tras el accidente de Chernóbil, algunos gobiernos (sobre todo europeos) promovieron el cierre de las nucleares en algunos casos, deteniendo los proyectos en marcha en otros. En España se promulgó la moratoria nuclear, por la que se detenían los proyectos de nuevos reactores nucleares en marcha. A cambio se indemnizaba a las empresas eléctricas que habían invertido en esos proyectos con una fracción de los recibos del consumo eléctrico.

La alarma de desastre nuclear es un principal motivo de crítica respecto a esta energía. Hay fuentes que afirman que este tema se ha convertido en un tema de demagogia política en base a un oportunismo político, un instrumento para obtener votos oclocráticamente:​

La aversión a la energía nuclear, apoyada en la más absoluta ignorancia, es recibida con agrado por millones de personas, que tampoco entienden nada del asunto, y sólo tiene dos explicaciones: o una obcecación que impide el normal funcionamiento de la mente o un oportunismo político que linda con la irresponsabilidad

Carlos Sánchez del Río, catedrático de Física Atómica y Nuclear, ex presidente del CSIC y de la Real Academia de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales.​

En 1994 James Lovelock, considerado por algunos como el padre del movimiento ecologista, concede una entrevista al periódico británico The Independent en el que defiende la opción nuclear para evitar el desastre ambiental que supone el calentamiento global.

No podemos continuar consumiendo combustibles fósiles, y no hay forma de que las energía renovables, el viento, las mareas y el agua puedan proporcionar suficiente energía a tiempo. [...] Si tuviéramos 50 años podríamos hacer de estas nuestras fuentes primordiales. Pero no tenemos 50 años...Incluso si cesáramos toda combustión de combustibles fósiles inmediátamente, las consecuencias de lo que ya hemos hecho permanecerían durante 1000 años.

James Lovelock ​

Aunque muchos movimientos ecologistas se pronunciaron en contra de Lovelock,^{[cita requerida]} lo cierto es que él no era el único que se comenzaba a replantear su postura.​ Para el año 2007, varios paises (entre otros Finlandia, Brasil, México, China, EE.UU....) habían comenzado a construir nuevas centrales nucleares tras un parón de 20 años en la construcción de nuevos reactores. En España se reabrió en 2004 el debate de si era o no necesaria la energía nuclear.​

Según un informe de la Fundación BBVA cuando se pregunta a los entrevistados en qué medida estarían a favor o en contra del uso de las diferentes fuentes de energía en España se da un 3,1 sobre 10 a la energía nuclear.​

Existen estudios ^{[cita requerida]} que demuestran que el grado de oposición a la energía nuclear de un grupo de población es inversamente proporcional al grado de información sobre dicha energía que posea el grupo.

La cuestión fundamental a resolver de cara a la opinión pública en cuanto a los residuos es la de llegar a una solución aceptada por todos sobre como proceder con los residuos de alta actividad. ​

Véanse también: Abandono de la energía nuclear y Política sobre Energía Nuclear.

Véase también

• Isótopos
• Procesos nucleares
• Central nuclear
• Edificio de contención
• Accidente de Chernóbil
• Energía de fusión
• Confinamiento magnético
• Confinamiento inercial
• Medicina nuclear
• Cobaltoterapia

Referencias

Bibliografía

Paul A. Tipler (1991). «Física. Tomo II». Editorial Reverte. ISBN 84-291-4357-2. 

Jose García Santesmases (1978). «Física General». Paraninfo. ISBN 84-283-0973-6. 

Federico Goded Echeverria 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. 

Enlaces externos

• Wikimedia Commons alberga una galería multimedia sobre Energía nuclear.

Organismos reguladores

• Consejo de Seguridad Nuclear de España
• Comisión Nacional de Energía Atómica de Argentina
• Comisión Chilena de Energía Nuclear

Proyectos internacionales

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

Organizaciones Ecologistas

• Informe del partido de los verdes europeos del estado de la industria nuclear mundial.
• WISE en español. Base de datos con información útil para las campañas antinucleares de los grupos de presión..
• Grup de Cientifics y Tècnics per una Energia No Nuclear (en catalán).
• GreenPeace: sección nuclear.
• Greenpeace Argentina. Mayak: Media vida marcada por los daños de la energía nuclear
• Ecologistas en Acción
• Ecologistas a favor de la Energía Nuclear (en español)
• Ecoticias: Pregunta de IU-ICV al Gobierno español sobre un informe de la Universidad de Mainz encargado por el Gobierno alemán que relaciona el cáncer con las centrales nucleares.

Otros

• Foro Nuclear Español
• Energía nuclear... ¿sí o no?
• Jóvenes Nucleares
• Sociedad Nuclear Europea (en inglés)