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.
Estas reacciones se dan en los núcleos de algunos isótopos
de ciertos elementos químicos radioisótopos,
siendo la más conocida la fisión del uranio-235 235U, con la que
funcionan los reactores nucleares, y la más habitual en la
naturaleza, en el interior de las estrellas, la fusión
del par deuterio-tritio 2H-3H.
Sin embargo, para producir este tipo de energía aprovechando reacciones
nucleares pueden ser utilizados muchos otros isótopos
de varios elementos químicos, como el torio-232, el plutonio-239,
el estroncio-90 o el polonio-210 232Th, 239Pu, 90Sr,
210Po; respectivamente.
Existen varias disciplinas y/o 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 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.
Otra técnica, empleada principalmente en pilas de mucha
duración para sistemas que requieren poco consumo eléctrico, es la utilización
de generadores termoeléctricos de
radioisótopos GTR, o RTG
en inglés, en los que se aprovechan los distintos
modos de desintegración para generar electricidad
en sistemas de termopares
a partir del calor transferido por una fuente radiactiva.
La energía desprendida en esos procesos nucleares suele
aparecer en forma de partículas subatómicas en movimiento. Esas
partículas, al frenarse en la materia que las rodea, producen energía térmica. Esta energía térmica se
transforma en energía mecánica utilizando motores de combustión externa, como las turbinas de
vapor. Dicha energía mecánica puede ser empleada en el transporte,
como por ejemplo en los buques nucleares; o para la generación de energía eléctrica
en centrales nucleares.
La principal característica de este tipo de energía es la
alta calidad de la energía que puede producirse por unidad de
masa de material utilizado en comparación con cualquier otro tipo de
energía conocida por el ser humano, pero sorprende la poca eficiencia
del proceso, ya que se desaprovecha entre un 86% y 92% de la energía que se
libera.
En 1896 Henri Becquerel descubrió que algunos elementos
químicos emitían radiaciones.
Tanto él como Marie Curie y otros estudiaron sus propiedades,
descubriendo que estas radiaciones eran diferentes de los ya conocidos Rayos X
y que poseían propiedades distintas, denominando a los tres tipos que
consiguieron descubrir alfa, beta y gamma.
Pronto se vio que todas ellas provenían del núcleo atómico que describió Rutherford
en 1911.
Con el descubrimiento del neutrino,
partícula descrita teóricamente en 1930 por Pauli pero no detectada hasta 1956 por Clyde Cowan
y sus colaboradores, se pudo explicar 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 estos
neutrones.
Durante los años 1930, Enrico Fermi y sus colaboradores
bombardearon con neutrones más de 60 elementos, entre ellos 235U,
produciendo las primeras fisiones nucleares artificiales. En 1938, en Alemania,
Lise Meitner,
Otto Hahn
y Fritz Strassmann verificaron los experimentos
de Fermi y en 1939
demostraron que parte de los productos que aparecían al llevar a cabo estos
experimentos con uranio eran núcleos de bario. Muy pronto llegaron
a la conclusión de que eran resultado de la división de los núcleos del uranio.
Se había llevado a cabo el descubrimiento 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
basándose en este mecanismo.
En física nuclear, la fisión es una reacción nuclear, lo
que significa que tiene lugar en el núcleo atómico. La fisión ocurre cuando un
núcleo pesado se divide en dos o más núcleos pequeños, además de algunos subproductos
como neutrones libres, fotones generalmente rayos gamma y otros fragmentos
del núcleo como partículas alfa núcleos de helio y beta electrones y
positrones de alta energía.
Durante la Segunda Guerra Mundial, el Departamento de
Desarrollo de Armamento de la Alemania Nazi desarrolló un proyecto de energía
nuclear Proyecto Uranio con vistas a la producción de
un artefacto explosivo nuclear. Albert
Einstein, en 1939,
firmó una carta al presidente Franklin Delano Roosevelt de los Estados
Unidos, 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 ser humano
(existió un reactor natural en Oklo): el Chicago Pile-1, CP-1.
Como parte del mismo programa militar, se construyó 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 9 kilotones,
una potencia jamás observada anteriormente en ningún otro 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 ser
humano cada bando podía derrotar y destruir varias veces a todos sus
enemigos.
Ya en la década de 1940, el almirante Hyman
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. Se pensó, acertadamente, que estos
reactores podrían constituir un gran sustituto del diésel
en los submarinos. Se construyó el primer reactor de prueba en 1953, botando el primer
submarino nuclear el USS Nautilus SSN-571 el 17 de enero de 1955 a las 11:00. 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 países: Francia,
Italia,
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 Ernest
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, comience su funcionamiento entre
el 2016
y el 2018
en el centro de Mol, Bélgica.
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