- Introducción
- Energía
atómica - Descubrimiento de la física
nuclear - Tecnología nuclear
- Regulación nuclear
- Controversia sobre la energía
nuclear - Conclusión
- Bibliografía
- Ilustraciones
Introducción
La energía nuclear o energía
atómica es la energía que se libera
espontánea o artificialmente en las reacciones nucleares.
Sin embargo, este término engloba otro significado, el
aprovechamiento de dicha energía para otros fines, tales
como la obtención de energía eléctrica,
térmica y mecánica a partir de reacciones
atómicas, y su aplicación, bien sea con fines
pacíficos o bélicos. Así, es común
referirse a la energía nuclear no solo como el resultado
de una reacción sino como un concepto más amplio
que incluye los conocimientos y técnicas que permiten la
utilización de esta energía por parte del ser
humano.
Existen varias disciplinas y técnicas que usan de
base la energía nuclear y van desde la generación
de electricidad en las centrales nucleares hasta las
técnicas de análisis de datación
arqueológica (arqueometría nuclear), la medicina
nuclear usada en los hospitales, etc.
Los dos sistemas más investigados y trabajados
para la obtención de energía aprovechable a partir
de la energía nuclear de forma masiva son la fisión
nuclear y la fusión nuclear. La energía nuclear
puede transformarse de forma descontrolada, dando lugar al
armamento nuclear; o controlada en reactores nucleares en los que
se produce energía eléctrica, energía
mecánica o energía térmica. Tanto los
materiales usados como el diseño de las instalaciones son
completamente diferentes en cada caso.
Energía
atómica
La energía
atómica
La energía atómica es la energía de
los núcleos atómicos, energía que es
liberada cuando se bombardea un átomo con neutrones. Esto
tiene como consecuencia que los átomos se desintegren para
formar nuevos átomos y liberar una gran cantidad de
energía.
El descubrimiento de la energía atómica ha
puesto en manos de la humanidad la mayor fuente de energía
conocida, cuyo potencial destructivo amenaza la supervivencia de
la especie humana y la estabilidad del planeta si no se
establecen medidas de control y seguridad a nivel
mundial.
El descubrimiento de le energía atómica es
el resultado del trabajo en equipo realizado por
científicos y científicas que estudiaron el
comportamiento del átomo.
El núcleo del
átomo
La materia inerte y la materia viva están
formadas por moléculas que son combinaciones de
átomos.
Los átomos presentan un núcleo cargado
positivamente formados por protones (partículas cargadas
positivamente) y neutrones (partículas neutras).
Además presentan una corteza donde se desplazan los
electrones cargados negativamente. Como las cargas positivas y
negativas se balancean, el átomo es neutro. Cuando ciertos
átomos emiten una radiación debido a la
transformación del núcleo, se manifiesta lo que se
conoce como radioactividad del átomo.
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 (ya que las partículas de igual
carga se repelerían deshaciendo el núcleo),
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 muy intensa, atractiva a distancias muy cortas (solo en el
interior de los núcleos), siendo repulsiva a distancias
más cortas (del tamaño de un nucleón), que
era central en cierto rango de distancias, que dependía
del espín y que no dependía del tipo de
nucleón (neutrones o protones) sobre el que actuaba. En
1935, Hideki Yukawa dio una primera solución a esta nueva
fuerza estableciendo la hipótesis de la existencia de una
nueva partícula: el mesón. El más ligero de
los mesones, el pion, es el responsable de la mayor parte del
potencial entre nucleones de largo alcance (1 fm).
Historia de la radioactividad
La radioactividad que está presente de forma
natural en todos los lugares de nuestro planeta y del universo
que forma parte esencial de nuestro entorno, fue descubierta a
finales del siglo XIX por Henry Becquerel.
Este científico demostró que el uranio
emitía unas radiaciones invisibles y espontáneas
que impresionaban las placas fotográficas y hacían
que el aire condujera la electricidad.
Más tarde, Pierre y Marie Curie descubrieron
otros dos elementos que emitían radiaciones parecidas al
uranio, a los que nombraron polonio y radio, destacando que este
último emitía radiaciones mas intensas que el
uranio.
Los esposos Curie caracterizaron el fenómeno que
originaba estas radiaciones y les dieron el nombre de
radioactividad.
El 1903, los esposos Curie y Becquerel reciben el premio
Nobel en Física por los trabajos realizados en el campo de
la radioactividad.
Descubrimiento de
la física nuclear
Enrico Fermi recibe el premio Nobel de Física en
1938 por sus trabajos relacionados con la producción de
elementos radioactivos transuránicos (elementos mayores
que el uranio) mediante el bombardeo de neutrones.
Enrico Fermi había comprobado que los neutrones
eran absorbidos por los núcleos atómicos cuando un
átomo era bombardeado con neutrones.
En 1934, Fermi bombardea urania con neutrones
(partículas sin carga eléctrica) con la esperanza
de obtener átomos del elemento 93. Ocurrió la
absorción de neutrones y la sustancia formada
emitió varias partículas beta, pero no logro
identificar la presencia del átomo del elemento
93.
Después de que Fermi publicó el informe de
sus trabajos, Otto Hahn y Lise Meitner, realizaron pruebas para
tratar de identificar el átomo y encontraron que el
isótopo que producía la radioactividad
pertenecía a un elemento químicamente similar al
bario.
Lise Meitner que era judía tuvo que salir de
Alemania por el régimen antisemita de los nazis y
establecrse en Estocolmo, Suecia.
Hahn se quedó en Alemania y siguió
trabajando con el físico – químico Fritz
Stranssmann pero no lograron identificar el átomo del
elemento 93 sólo la radioactividad emitida por un
átomo parecido al bario.
Lise Meitner luego de recibir los informes de Hahn y
después de meditarlo profundamente llegó a la
conclusión de que el núcleo de uranio se
había partido en dos. Una de las formas más comunes
de fragmentación del uranio es en dos átomos: el
bario y el kripton.
Más tarde, Meitner y su sobrino Otto Frisch
escribieron un artículo en el que sugerían que este
era el proceso que ocurría, el trabajo fue publicado en
enero de 1939. Cuando Otto Frisch le comunicó los
resultados a Willian Arnold quien también trabajaba en
experimentos radioactivos, este propuso llamar fisión a
esa fragmentación del núcleo de uranio en dos
mitades, término que se utilizó para designar en
Biología la división de células
vivas.
En 1944, Otto Hahn recibe el premio Nobel en
Química sin reconocerle a Lise Meitner su
participación en la investigación.
Durante la segunda guerra mundial, Fermi fue comisionado
para diseñar y construir una estructura llamada pila
atómica en la cual ocurriría una reacción en
cadena autosostenible (Proyecto Manhattan).
La pila automática contenía uranio en
combinación con bloques de grafito para frenar los
neutrones hasta velocidades térmicas. También
contenía barra de cadmio insertadas en la pila, para
absorber neutrones y controlar la velocidad de
reacción.
La creación del primer reactor nuclear del mundo
marcó el inicio de la era atómica.
El poder de la pila atómica quedó
demostrado cuando se utilizó militarmente en Hiroshima y
Nagasaki.
La fusión y fisión
nuclear
Para comprender que es la fisión nuclear es
importante considerar los siguientes hechos:
El núcleo de un átomo no es un objeto
rígido.Los neutrones y protones dentro del núcleo se
mueven a grandes velocidades.Cuando un núcleo de un elemento pesado es
bombardeado por un neutrón, el núcleo cambia de
forma y rápidamente se divide en dos núcleos
livianos y libera gran cantidad de energía y varios
neutrones.Cada núcleo fisionado emite dos o tres
neutrones que provocan el fenómeno de reacciones en
cadena.
La fusión nuclear es la unión de dos
núcleos ligeros en uno mas pesado, obteniéndose
cuatro veces mas energía que en la fisión
nuclear.
Mientras que la fisión se puede controlar, la
fusión plantea algunos inconvenientes que están en
estudio y que se piensa resolver en el siglo XXI.
Para que la fusión sea posible hay que vencer
la repulsión electrostática entre dos
núcleos igualmente cargados y en virtud del principio
que dice que cargas iguales se repelen hay que aplicar una
gran cantidad de energía para conseguir su
unión.
Esto se logra gracias al calor que se aplica y
está relacionada con millones de grados de
temperaturas.
Ningún reactor alcanza esta temperatura ni
soporta tanto calor. Este proceso ocurre en ele Sol y en las
estrellas.
Teoría de la relatividad de
Einstein.
Uno de los grandes aportes de Albert Einstein es la
relación que estableció entre materia y
energía en la teoría de la relatividad.
De acuerdo con esta ley, la materia y la energía
son dos formas distintas de representar una misma magnitud
física.
La materia se puede transformar en energía y la
energía en materia de acuerdo con la siguiente
ecuación:
La fusión y la fisión nuclear se comportan
tal como se predice la teoría de la relatividad. Cuando el
núcleo de un átomo pesado se bombardea con
neutrones, este es fragmentado en dos núcleos livianos
cuyas masas totales son menores que la masa del átomo
pesado. La masa perdida se convierte n energía de acuerdo
con la teoría de la relatividad especial de
Einstein.
Aunque la diferencia de masa es muy pequeña y la
ganancia por átomos es también pequeña, en
un gramo de materia hay millones de átomo donde con poca
cantidad de combustible se obtiene mucha
energía.
La energía que recibimos del Sol en forma de luz,
calor y otros tipos de radiaciones es la energía liberada
en la fusión nuclear. Actualmente hay una gran cantidad de
trabajos de investigación tendientes a producir
energía de fusión en forma controlada.
Tecnología
nuclear
Armas nucleares. 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:
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.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,
portaaviones, 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: El 16 de
julio de 1945 se produjo la primera explosión de una
bomba de fisión creada por el ser humano: 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 supone 52 kg de 235U o 10 kg de 239Pu. Para su funcionamiento
se crean 2 o más partes subcríticas que se unen
mediante un explosivo químico convencional de forma que se
supere la masa crítica.
Los dos problemas básicos que se debieron
resolver para crear este tipo de bombas fueron:
Generar suficiente cantidad del elemento
físil a utilizar, ya sea uranio enriquecido o plutonio
puro.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: 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 necesarias para comenzar la
reacción de fusión de núcleos de
hidrógeno. 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
Generación de
electricidad
Probablemente, la aplicación práctica
más conocida de la energía nuclear es la
generación de energía eléctrica 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
similar 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 los reactores de cuarta
generación estas medidas podrían ser menores,
mientras que en la fusión se espera que no sean
necesarias.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 C02 y NOx en la
generación de electricidad, principales gases de
efecto invernadero de origen antrópico, son nulas;
aunque indirectamente, en procesos secundarios como la
obtención de mineral y construcción de
instalaciones, sí se producen emisiones.
Regulación
nuclear
La regulación nuclear puede separarse en cuatro
grandes grupos:
1. Funciones de los reguladores
nacionales,2. Residuos,
3. Seguridad y
4. Protección
radiológica.
Las bases científicas de toda la
regulación internacional existente se fundan en estudios
propios y recopilaciones llevadas a cabo por la CIPR, UNSCEAR o
el NAS/BEIR americano. Además de estos, existen una serie
de agencias de investigación y desarrollo en seguridad,
como pueden ser la AEN o el EPRI. A partir de todas ellas,
existen dos organismos internacionales que desarrollan las bases
para la legislación: el OIEA (a nivel internacional) y
EURATOM (en Europa).
También existen algunos organismos nacionales,
que emiten documentación dedicada a cada uno de los
campos, que sirven de guía a otros países.
Así ocurre por ejemplo con la NCRP, la NRC o la EPA
americanas, la HPA inglesa (antiguamente NRPB) o el CEA
francés.
Además de estas regulaciones específicas,
existen otras leyes y acuerdos que tienen en mayor o menor medida
relación con la energía nuclear. Así por
ejemplo las leyes de calidad del agua o la convención
OSPAR. Aunque en el Protocolo de Kyoto, que trata sobre las
industrias que emiten gases de efecto invernadero, no se menciona
la energía nuclear, sí aparece en otros documentos
referentes al calentamiento global antropogénico.
Así, en los acuerdos de Bonn de 2001,52 se establecieron
los mecanismos de compraventa de emisiones de gases de efecto
invernadero y los mecanismos de intercambio de
tecnologías, excluyendo ambos explícitamente a la
energía nuclear. De este modo, no se pueden reducir las
cuotas de emisión de los países altamente
industrializados mediante la venta de tecnología nuclear a
países menos desarrollados, ni se pueden vender las cuotas
de emisiones a países que funden sus bajas emisiones en la
energía nuclear. El IPCC, sin embargo, sí
recomienda en su cuarto informe el uso de la energía
nuclear como una de las únicas formas (junto a las
energías renovables y la eficiencia energética) de
reducir la emisión de gases de efecto
invernadero
Controversia
sobre la energía nuclear
Ventajas:
La energía nuclear genera un tercio de la
energía eléctrica que se produce en la
Unión Europea, evitando así la emisión
de 700 millones de toneladas de dióxido de carbono por
año a la atmósfera.Por otra parte, también se evitan otras
emisiones de elementos contaminantes que se generan en el uso
de combustibles fósiles. Además, se reducen el
consumo de las reservas de combustibles fósiles,
generando con muy poca cantidad de combustible
muchísima mayor energía, evitando así
gastos en transportes.En la medicina, ha tenido importantes aportaciones:
emisiones de radiación (para diagnóstico y
terapia), como los rayos X y resonancias magnéticas;
radiofármacos, que principalmente consiste en la
introducción de sustancias al cuerpo, que pueden ser
monitoreadas desde el exterior.En la alimentación ha permitido, por medio de
las radiaciones ionizantes, la conservación de
alimentos. También se ha logrado un aumento en la
recolección de alimentos, ya que se ha combatido
plagas, que creaban pérdidas en las
cosechas.En la agricultura, se pueden mencionar las
técnicas radioisotópicas y de radiaciones, las
cuales son usadas para crear productos con
modificación genética, como dar mayor color a
alguna fruta o aumentar su tamaño.
Inconvenientes:
Existe un alto riesgo de contaminación en
caso de accidente o sabotaje.Se producen residuos radiactivos que son
difíciles de almacenar y son activos durante mucho
tiempo.Tiene un alto y prolongado coste de las
instalaciones y mantenimiento de las centrales
nucleares.Puede usarse con fines no
pacíficos.
Conclusión
La energía atómica es aquella que se
libera como resultado de cualquier reacción
nuclear.
La principal característica de este tipo de
energía es la alta cantidad de energía que puede
producirse por unidad de masa de material utilizado en
comparación con cualquier otro tipo de energía
conocida por el ser humano.
Los dos sistemas con los que puede obtenerse
energía nuclear de forma masiva son la fisión
nuclear y la fusión nuclear. La energía nuclear
puede transformarse de forma descontrolada, dando lugar al
armamento nuclear; o controlada en reactores nucleares en los que
se produce energía eléctrica, energía
mecánica o energía térmica. Tanto los
materiales usados como el diseño de las instalaciones son
completamente diferentes en cada caso.
El uranio es uno de los combustibles nucleares
más importantes. Contiene núcleos fisionables y
puede emplearse en un reactor nuclear para que en él se
desarrolle una reacción nuclear de fisión en
cadena.
Actualmente, la industria nuclear de fisión,
presenta varios peligros, que por ahora no tienen una
rápida solución. Estos peligros, podrían
llegar a tener una gran repercusión en el medio ambiente y
en los seres vivos si son liberados a la atmósfera, o
vertidos sobre el medio ambiente, llegando incluso a producir la
muerte, y condenar a las generaciones venideras con
mutaciones.
Bibliografía
Serrano V, Gladys E. Ciencia Naturales. Premedia, Octavo
Grado. Susaeta Ediciones Panamá S.A.
http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_nuclear#Otros_sistemas_de_energ.C3.ADa_nuclear
Ilustraciones
Núcleo del
Átomo
Enrico Fermi (1901-1954).Construyo el
primer reactor nuclear en 1942 y más tarde trabajó
en el proyecto e la bomba atómica.
Otto Hahn (1879-1968). Trabajó con Maitner para
dividir el átomo, por tanto se le concedió el
premio Nobel de Química en 1944.
Lise Meitner (1878-1968).
Demostró que los átomos pesados pueden dividirse en
átomos más ligeros, proceso llamado "fisión
nuclear".
Albert
Einstein
Central
Nuclear
FISION Y FUSION
NUCLEAR
Autor:
José Reyes Alveo