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De todas las fuentes de energía con las que cuenta la humanidad, la energía nuclear es una de las más discutidas debido a su carácter tan polémico. No obstante, también es una
de las más utilizadas debido a la enorme cantidad de ventajas que su uso nos brinda.
Pero en realidad ¿es tan beneficiosa como parece? ¿Qué sabes sobre el uso de este tipo de
energía? Para ampliar nuestros conocimientos e intentar formularnos algunas respuestas,
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La energía nuclear
¿Qué es la energía
nuclear?
Es el tipo de energía que se
libera a partir de las
reacciones nucleares. Esta energía es
aprovechada por el hombre
con diversos fines, como
por ejemplo: obtener
energía eléctrica, mecánica
y térmica, aplicándola con diversas finalidades.
La obtención de la energía nuclear
Las dos formas que existen para obtener energía nuclear, y las dos que se aplican en el desarrollo de las ciencias y la tecnología, son: la fisión y la fusión nuclear. La primera ocurre en el núcleo de un átomo, el cual debe ser dividido en dos o más núcleos para así liberar otros subproductos. Por otro lado, la fusión nuclear es el proceso por el que varios núcleos se unen para formar un núcleo más pesado.
Para comprender mejor cada proceso, y varios otros aspectos en cuanto a la compleja obtención y el uso de la energía nuclear en nuestros días.
Fisión nuclear
Para poder obtener energía m anipulando los núcleos de uno o v arios átom os podem os hacerlo de dos f orm as distintas: uniendo núcleos de átom os di stintos (entonces hablam os de f usión nuclear) o partiendo núcleos de un determ inado átom o (caso de la fisión nuclear)
En energía nuclear llam am os fisión nuclear a la división del núcleo de un átomo. El núcleo se conv ierte en div ersos
f ragm entos con una m asa casi igual a la m itad de la m asa original m ás dos o tres neutrones.
La sum a de las m asas de estos f ragm entos es m enor que la m asa original. Esta 'f alta' de m asas (alrededor del 0,1 por ciento de la m asa origi nal) se ha conv ertido en energía según la ecuación de Einstein(E=m c2). En esta ecuación E corresponde a la ener gía obtenida, m a la m asa de la que hablam os y c es una constante, la de la v elocidad de la luz: 299.792.458 m /s2.
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Fusión nuclear
La f usión nuclear es una reacción nucl ear en la que dos núcleos de átom os ligeros, en general el hidrógeno y sus isótopos (deuterio y tritio), se unen para f orm ar otro núcleo m ás pesado. Generalm ente esta unión v a acom pañada con la em isión de partículas (en el caso de núcleos atóm icos de deuterio se em ite un neutrón). E sta reacción de f usión nuclear libera o absor be una gran cantidad de energía en f orm a de rayos gamm a y tam bién de energí a cinética de las partículas em itidas. Esta gran cantidad de ener gía perm ite a la m ateria entrar en estado de plasm a.
Las reacciones de f usión nuclear pueden em itir o absorber ener gía. Si los núcleos que se v an a f usionar tienen m enor m asa que el hierro se libera energía. Por el contrario, si los núcleos atóm icos que se f usionan son m ás pesados que el hierro la reacción nuclear absorbe energía.
No conf undir la f usión nuclear con la f usión del núcleo de un reactor, que se ref iere a la f usión del núcleo del reactor de una c entral nuclear debido al sobrec alentam iento producido por la def iciente r ef rigeración. Durante el accidente nuclear de Fukushim a, en los m edios de com unicación se utilizaba esta ex presión f recuentem ente.
Fusión nuclear en la naturaleza
Las estrellas, incluido el Sol, ex perim entan constantem ente reacciones de f usión nuclear. La luz y el calor que percibim os del Sol es el resultado de estas reacciones nucleares de f usión: núcleos de hidrógeno chocan entre sí, y se f usionan dando lugar a un núcleo m ás pesado de helio liberando una enorm e cantidad de energía. La ener gía liberada llega a la Tierra en f orm a de radiación electrom agnética.
Las f uerzas de grav edad en el
univ erso gener an las condiciones perf ectas par a la f usión nuclear.
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Requisitos técnicos para la fusión nucle ar
Para ef ectuar las reacciones de f usión nuclear, se deben cum plir los siguiente s requisitos:
Conseguir una tem peratura m uy elev ada para separ ar los electrones del núcleo y que éste se aprox im e a otro v enciendo las f uerzas de r epulsión electrostáticas. La m asa gaseosa com puesta por los electrones libres y los átom os altam ente ionizados se denom ina plasm a.
Es necesario el conf inamiento para m antener el plasm a a tem peratura elev ada durante un m ínim o de tiem po.
Densidad del plasm a suf iciente para que los núcleos estén cerca unos de otros y puedan gener ar reacciones de f usión nuclear .
Confinamiento para la fusión nuclear
Los conf inam ientos conv encionales que se utilizan en los reactore s nucleares de f isión no son posibles debido a las altas tem peraturas del plasm a que deben soportar. Por este m otiv o, se han desarrollado dos im portantes m étodos de conf i namiento:
Fusión nuclear por conf inamiento inercial (FCI): Consi ste en crear un m edio tan denso que las partículas no tengan casi ninguna posibilidad de esc apar sin chocar entre sí. Una pequeña esf era com puesta por deuterio y tritio es im pactada por un haz de láser, prov ocándose su im plosión. Así, se hace cientos de v eces m ás densa y ex plosiona baj o los ef ectos de la reacción de f usión nuclear.
Fusión nuclear por conf inamiento m agnético (FCM): Las partículas eléctricam ente cargadas del plasm a son atrapada s en un espacio r educido por la acción de un cam po m agnético. El dispositiv o m ás desarrollado tiene f orm a toroidal y se denom ina Tokam ak.
Reacciones de fusión nuclear
Los elem entos atóm icos em pleados norm alm ente en las reacciones f usión nuclear son el Hidrógeno y sus isótopos: el Deuterio (D) y el Tritio (T )
Fusionando un núcleo de Deuterio con un núcleo de Tritio, se obtinene un núcleo de Helio f orm ado por dos neutrones y dos pr otones
Fusionando dos núcleos de Deuterio, se obtiene un núcleo de Helio f orm ado por un neutrón y dos protone s.
Para que tengan lugar estas r eacciones debe sum inistrarse a los núcleo s la energía cinética necesaria para que se apr oxim en los núcleos que se v an a f usionar, v enciendo así las f uerzas de repul sión electrostáticas. Para ello se necesita calentar el gas hasta tem peraturas m uy elev adas, com o las que se supone que tienen lugar en el centro de las est rellas.
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conf inar el plasm a, sea m enor que la energí a liberada por las r eacciones de f usión nuclear. En principio, por cada m iligram o de deuterio -tritio se pueden obtener 335 MJ.
Combustible utilizado para las reacciones de fusión nuclear
Para las r eacciones de f usión nuclear se necesitan núcleos ligeros. Básicam ente se utilizan Deuterio y Tritio, que son dos isótopos del hidrógeno. El Deuterio es un isótopo estable del hidr ógeno f orm ado por un pr otón y un neutrón. Su abundancia en el agua es de un átom o por cada 6.500 átom os de hidrógeno. E sto supone que en el agua de m ar hay una concentración de 34 gram os de deuterio por metro cúbico de agua. El contenido energético del deuterio es ta n elev ado que la energía que se puede obtener del deuterio de un litro de agua de m ar es equiv alente a la energía que se puede obtener de 250 litros de petróleo.
Por este m otiv o, teniendo en c uenta, que tres cuartas partes del Planeta están cubiertas por a gua, se c onsidera la f usión nuc lear cóm o una f uente de energí a inagotable.
El otro elem ento em pleado en la f usión nuclear , el Tritio, es el isótopo inestable o radiactiv o del átom ode hidrógeno. Está c om puesto por un protón y do s neutrones y se desintegr a por em isión beta con relativ a rapidez. Aunque el Tritio es escaso en la naturaleza, se puede generar por reacciones de captur a neutrónica con los i sótopos del Litio. El Litio es un m aterial abundante en la corteza terrestre y en el agua del m ar.
Evolución histórica y proyectos futuros sobre la fusión nuclear
Los orígenes de la f usión nuclear se localizan hacia 1929 cuando Atkinson y Houtem ans plantear on la posibilidad de obtener energía de las reacciones de f usión nuclear. Sin em bargo, los conceptos m ás im portantes de f usión nuclear y su aplicación real, se desarrollaron a partir de 1942 c on los trabajos de H. Bethe, E. Ferm i, R. Oppe nheim er y E. Teller, entre otros. A trav és del proy ecto Sher wood se llev aron a cabo los prim eros av ances tecnológicos, que perm itieron desarrollar el concepto de conf inamiento m agnético, obteniéndose los prim eros diseños: z -pinch, stellarator y espejos m ag néticos.
En 1961, J. Nuckolls (EEUU) y N. Basov (URSS) desarr ollaron una técnica m ediante la cual se podrían obtener reacciones de f usión nuclear m ediante altas com presiones pr ov ocadas por la cesión de energía. Se desarrollaron así program as secretos en EE UU y Rusia. Poster iorm ente, Francia se une a est e desarrollo, tam bién secreto. Otros paí ses c om o Alem ania, Japón, Italia y EEUU (Rochester) desarrollaron program as abiertos.
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En el concepto TOKAMAK, el cam po m agnético necesario para conf inar el plasm a es el resultado de la com binación de un cam po toroidal, de un cam po poloidal, am bos creados por bobinas toroidales, y de un c am po v ertical (creado por un transf orm ador). El plasm a actúa com o secundario de un transf orm ador por donde se induce corriente que lo calienta. Por el prim ario del transf orm ador circula una intensidad de corrient e v ariable.
En 1968, el Prem io Nobel N. Basov , inf orm ó de la obtención de tem peraturas de ignición y de la pr oducción de neutrones en las r eacciones de f usión nuclear em pleando láseres. A partir de entonc es, se pudo disponer de una gran cantidad de aparatos en construcción y operación bajo el conc epto TOKAMAK com o los siguientes: TFR (Francia), T -4 y T-11 (URSS), ALCATOR y ORMAK (EEUU). Otros com o el T -10 (URSS), PLT (EE UU), DITE (GB), ASEDX (RFA) y FRASCATI (EURATOM -Italia) com enzaron a construir se.
En la década de los 70 com enzó a producirse la prim era serie de publicaciones sobre FCI (Fusión nuclear por Conf inam iento Inercial). En EEUU, los principales inv estigadores f ueron Brueckner, Nuckolls, Kidder y Clark. En Rusia, Basov y su equipo consiguieron el ex p erim ento m ás av anzado, alcanzándose cerca de 3 m illones de neutrones en la im plosión de esf eras de CD2.
Basados en este conc epto ex isten y han ex istido m ultitud de instalaciones con láser que han perm itido av anzadas inv estigaciones sobr e la f usión nuclear. De ellas se pueden destac ar: NOVA (40 kJ, EUUU), OMEGA (30 kJ), GEKKO -XII (10 kJ, Japón), PHEBUS (3 kJ, Francia), VOLCAN (UK), ISKRA -5 (Rusia).
A partir de estas instalaciones de láser se han desarrollado dos gr andes proyectos para dem ostrar altas ganancias: National Ignition Facility (NIF) en EEUU y Laser Megajoule (LMJ) en Francia.
Pero el láser no es el único dispositiv o capaz de producir im plo siones, tam bién se observ a queelectrones y haces de iones ligeros y pesados son serios candidatos a la f usión nuclear por conf inamiento inercial. Nacen así los siguientes proyectos con iones ligeros: ANGARA y PROTO (Rusia), PBFA -I y PBFA-II (EEUU).
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En la década de los 90, las instalaciones de ti po TOKAMAK: JET (EURATOM), TFTR (EEUU) y JT -60 (Japón), perm itieron obtener cierta potencia. El prim ero f ue el JET, que con una m ezcla de D (90%) y T (10%) consiguió en 1991, una potencia de 1,7 MW . Posteriorm ente, en 1993, el TFTR con una m ezcla de DT al 50% llegó hasta los 6 MW , alcanzándose tem peraturas de 30 keV. En el calentamiento se gastaron 29 MW . En la actualidad, el TFTR está clausurado. Hasta la f echa, se han llegado a producir hasta 12 MW de potencia en reacciones de f usión nuclear controladas d ur ante m ás de un segundo (JET, 1997) y ex iste la conf ianza de que con los av ances tecnológicos actuales sea posible llegar al rango com ercial de cientos de MW de f orm a m antenida.
La inv estigación ex perim ental en FCM (Fusión nuclear por Conf inam iento Magnético) en España ha estado concentr ada en el CIEMAT (Centro de Inv estigaciones Energéticas, Medioam bientales y Tecnológicas), rem ontándose a 1983, año en el que se pone en f uncionam iento la prim era m áquina de f usión nuclear, el Tokam ak TJ -I.
Desde este insta nte, la inv estigación ha progresado de m anera constante, y así, en 1994 se puso en m archa el prim er dispositiv o de f usión nuclear construido totalm ente en España: el Stellerator TJ -I upgrade, que f ue cedido en 1999 a la Univ ersidad de Kiel al entrar en ope ración el TJ-II.
El TJ-II supuso un gran salto científico con respecto a los ex perim entos anteriores c onsiderándose uno de los tres stellerators m ás av anzados del m undo junto con el alem án W endelstein 7 - AS del Instituto Max Planck en Munich y el japonés LHD de la Univ ersidad de Nagoya.
El proyecto de fusión nuclear por confinamiento magnético: el ITER
El proyecto m ás av anzado en Fusión nuclear por Conf inamiento Magnético es el ITER (International Therm onuclear Ex perimental Reactor), prototipo basado en el concepto Tokam ak, y en el que se espera alcanzar la ignición. Ante los buenos resultados obtenidos en el JET , en 1990 se decidió continuar el program a de f usión con una instalación m ayor en la que adem ás del reactor, pudieran pr obar se sus si stem as aux iliares sin generar aún electricidad. En est e proyecto participan la Unión Europea, Canadá, EEUU, Japón y Rusia.
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El objetiv o es determ inar la v iabilidad técnica y económ ica de la f usión nuclear por conf inamiento m agnético para la generación de energía eléctrica, com o f ase prev ia a la construcción de una instalación de dem ostración com ercial.
ITER es un proyecto tecnológico c uya c onst r ucción se estim a necesitará 10 años y al m enos 20 de inv estigación. Entre las tecnologías em pleadas par a su construcción y posterior f uncionam iento y m antenim iento destacan la robótica, superconductiv idad, m icroondas, aceleradores y los sistem as de contro l.
En la m áquina ITER no se producirá energía eléctrica, se probaran las soluciones a los pr oblem as que nec esitan ser resueltos par a hacer v iables los f uturos reactores de f usión nuclear. E ste am bicioso proyecto de inv estigación dará sus prim eros resultados a partir de 2050.
Las inv ersiones realizadas para su construcción se estim an en cerca de 5.000 millones de euros. Los costes de f uncionam iento alcanzarán los 5.300 m illones de euros y los de desm antelamiento ascienden a 430 m illones de euros. El paí s donde se instala (Francia) debe correr c on los c ostes de preparación del terreno y de construcción del edificio.
Emplazamiento del ITER
En un principio, los tres em plazamientos que se disputaban el proyecto eran: Europa (Francia y España), Canadá y Japón.
El Gobierno Canadiense m ostró interés por al bergar el proyecto en Darlington cerca de Toronto, Japón pr esentó su c andidatura en Rokkai shom ura, Francia of reció su centro nuclear de Cadarache y E spaña propuso su em plazamiento en Vandellós I, después d el positiv o estudio de v iabilidad coordinado por el CIEMAT y realizado por dif erentes institutos de inv estigación e industrias, entre las que destaca IBERTEF (consorcio f orm ado por Em presariosAgr upados y SENER).
Después de un com plejo proceso de ev aluación tecnológica, a f inales de 2003 la Comisión Europea decidió presentar com o candidatura eur opea la f rancesa de Cadar ache f rente a la española de Vandellós.
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Em plazamiento del ITER - f usión nuclear
Reacciones nucleares en cadena
Una reacción en cadena es un proceso mediante el cual los neutrones que se han liberado en una primera fisión nuclear producen una fisión adicional en al menos un núcleo más. Este núcleo, a su vez
produce neutrones, y el proceso se repite.
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Si en cada fisión provocada por un neutrónse liberan dos neutrones más, entonces el número de fisiones se duplica en cada generación. En este caso, en 10 generaciones hay 1.024 fisiones y en 80 generaciones aproximadamente 6 x 102 3 fisiones.
Masa crítica
La masa crítica es la cantidad mínima de material fisionable para que se mantenga una reacción nuclear en cadena.
Aunque en cada fisión nuc lear se producen entre dos y tres neutrones, no todos neutrones están disponibles para continuar con la reacción de fisión; algunos se pierden. Si los neutrones liberados por cada reacción nuclear se pierden a un ritmo más rápido de lo que se forman por la fisión, la reacción en cadena no será autosostenible y se detendrá. La cantidad de masa crítica de un material fisionable depende de varios factores: propiedades físicas, propiedades nucleares, de su g eometría y de su pureza.
Una esfera tiene la superficie mínima posible para una masa dada, y por tanto, reduce al mínimo la fuga de neutrones. Si además bordeamos el material fisionable con un reflector de neutrones se pierden muchos menos neutrones y se reduce la masa crítica.
La fisión nuclear controlada
Para mantener un control sostenido de reacción nuclear, por cada 2 o 3 neutrones puestos en libertad, sólo a uno se le debe permitir dar a otro núcleo de uranio. Si esta relación es inferior a uno entonces la reacción va a morir, y si es más grande va a crecer sin control (una explosión atómica). Para controlar la cantidad de neutrones libres en el espacio de reacción debe estar presente un elemento de absorción de neutrones. La mayoría de los reactores son controlados por medio de barras de
controlhechas de neutrones de un fuerte material absorbente, como el
boro o el cadmio.
Además de la necesidad de capturar neutrones, los neutrones a menudo tienen mucha energía cinética(se mueven a gran velocidad). Estos
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agua pesada y el agua corriente. Algunos reactores utilizan grafito como moderador, pero este dis eño tiene varios problemas. Una vez que los neutrones rápidos se han desacelerado, son más propensos a producir más fisiones nucleares o ser absorbidos por las barra de control.
Fisión nuclear espontánea
En este tipo de reacciones no es necesaria la absorción de
un neutrón exterior. En determinados isótopos del uranio, y sobretodo
del plutonio, tienen una estructura atómica tan inestable que se fissiona
espontáneamente.
La tasa de la fisión nuclear espontánea es la probabilida d por segundo que un átomo dado se fisione de forma espontánea - es decir, sin
ninguna intervención externa. Elplutonio 239 tiene una muy alta tasa de fisión espontánea en comparación con la tasa de fisión espontánea
de uranio 235.
Ventajas y desventajas de la energía nuclear
En primer lugar vale aclarar que la energía nuclear es sumamente ventajosa en
numerosos aspectos y que a pesar de todo lo que se pueda decir, actualmente es una forma
de generar energía siempre a tener en cuenta. Por ejemplo, genera gran parte de la energía
eléctrica que consumimos día a día y sólo en la Unión Europea un tercio de la energía
eléctrica utilizada se obtiene gracias a la energía nuclear, evitando que unas 700 millones de
toneladas de CO2 se envíe hacia la atmósfera.
Al ser una energía no contaminante, su uso garantiza un daño menor al medio ambiente,
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En cuanto a sus desventajas, los riesgos de accidentes nucleares ya son más que conocidos. Las catástrofes de Chernobyl y la más reciente en Fukushima, son realmente
paradigmáticas en este aspecto y si no se toman los recaudos de seguridad necesarios, el
riesgo para la humanidad es enorme.
De hecho, las centrales nucleares demandan un alto costo de construcción y
mantenimiento y es por ello que en muchos casos se prefiere el uso de combustibles fósiles.
