La
fisión nuclear es una de las dos reacciones posibles que se producen cuando
trabajamos con energía nuclear.
En
energía nuclear llamamos fisión nuclear a la división del núcleo de un átomo.
El núcleo se convierte en diversos fragmentos con una masa casi igual a la
mitad de la masa original más dos o tres neutrones.
La
suma de las masas de estos fragmentos es menor que la masa original. Esta
'falta' de masas (alrededor del 0,1 por ciento de la masa original) se ha
convertido en energía según la ecuación de
Einstein
(E=mc2). En esta ecuación E corresponde a la energía obtenida, m a la masa de
la que hablamos y c es una constante, la de la velocidad de la luz: 299.792.458
m/s2. Con este valor de la constante c ya se puede ver que por poca unidad de
masa que extraigamos en una fisión nuclear obtendremos grandes cantidades de
energía (ver la definición de energía).
La
fisión nuclear puede ocurrir cuando un núcleo de un átomo pesado captura un
neutrón, o puede ocurrir espontáneamente.
Reacciones nucleares en Cadena
Una
reacción en cadena se refiere a un proceso en el que los neutrones liberados en
la fisión produce una fisión adicional en al menos un núcleo más. Este núcleo,
a su vez produce neutrones, y el proceso se repite. El proceso puede ser
controlado (energía nuclear) o incontrolada (armas nucleares).
Si
en cada fisión provocada por un neutrón se 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 1023
fisiones.
Energía liberada por cada fisión nuclear
165
MeV ~ Energía cinética de los productos de fisión
7 MeV
~ Rayos gamma
6
MeV ~ Energía cinética de los neutrones
7
MeV ~ Energía a partir de productos de fisión
6
MeV ~ Rayos gama de productos de fisión
9
MeV ~ Anti-neutrinos de los productos de fisión
200
MeV
1
MeV (millones de electrón-voltios) = 1,609 x 10-13 Joules
Masa critica
Aunque
en cada fisión nuclear se producen entre
dos y tres neutrones, no todos neutrones están disponibles para continuar con
la reacción de fisión. Si las condiciones son tales que los neutrones se
pierden a un ritmo más rápido de lo que se forman por la fisión, los que se
produzcan en la reacción en cadena no será autosuficiente.
La
masa crítica es el punto donde la reacción en cadena puede llegar a ser auto
sostenible.
En
una bomba atómica, por ejemplo, la masa de materias fisionables és mayor que la
masa crítica.
La
cantidad de masa crítica de un material fisionable depende de varios factores,
la forma del material, su composición y densidad, y el nivel de pureza.
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)
Algunos
reactores utilizan grafito como moderador, pero este diseño tiene varios
problemas. Una vez que los neutrones rápidos se han desacelerado, son más
propensos a producir más fisiones nucleares o ser absorbidos por la barra de
control.
¿Por
qué se usa el uranio y el plutonio en la fisión nuclear?
Los
científicos sabían que el isótopo más común, el uranio 238. Hay una
probabilidad bastante alta de que un neutrón incidente sea capturado para
formar uranio 239 en lugar de causar una fisión. Sin embargo, el uranio 235
tiene una probabilidad de fisión más alta.
Del
uranio natural, sólo el 0,7% es de uranio 235. Esto significa que se necesita
una gran cantidad de uranio para obtener la cantidad necesaria de uranio 235.
Además,
el uranio 235 no se puede separar químicamente del uranio 238, ya que los
isótopos son químicamente similares. Los métodos alternativos tuvieron que
desarrollarse para separar los isótopos.
El
plutonio 239 tiene una probabilidad alta de fisión. Sin embargo, el plutonio 239
no es un elemento natural y debería hacerse.
Se
trata de los materiales más usados en las centrales de energía nuclear.
Fisión nuclear espontánea
La
tasa de la fisión nuclear espontánea es la probabilidad por segundo que un
átomo dado se fisione de forma espontánea - es decir, sin ninguna intervención
externa. El plutonio 239 tiene una muy alta tasa de fisión espontánea en
comparación con la tasa de fisión espontánea de uranio 235.
El descubrimiento de la fisión nuclear
El
descubrimiento, a finales de 1938, de que un neutrón podía partir en dos el
núcleo de un átomo, representó para los físicos una auténtica sorpresa. Ninguna
teoría física había predicho la fisión nuclear, ni sus descubridores podían
imaginar que terminaría por aplicarse a la bomba atómica y las centrales
nucleares. Esta parte de la historia es incuestionable.
Más
controvertido es a quién reconocerle ese avance decisivo. El descubrimiento de
la fisión nuclear fue el resultado de cuatro años de investigación por la
física Lise Meitner y los químicos Otto Hahn y Fritz Strassmann, en su
laboratorio de Berlín. En 1938, Meitner, de ascendencia judía, huía de la
Alemania nazi, con la policía en los talones. Poco después, Hahn y Strassmann
anunciaban el descubrimiento. Apenas transcurridas escasas semanas, Meitner y
Otto R. Frisch, físico y sobrino suyo, hicieron pública la explicación teórica
correcta de la fisión. Pero el premio Nobel de química de 1944 se le concedió a
Hahn en solitario.
Aplicación de la fisión nuclear
La bomba atómica
De
la fórmula de Einstein E=mc2 es evidente que la cantidad de energía generada en
la fisión nuclear es inmensa (esto se debe a que el factor c2, que es la
velocidad de la luz al cuadrado, es muy grande).
Este
hecho se ha querido explotar para la producción eficiente de energía. El
problema más serio que presentan los generadores de electricidad a base de
energía de fisión es que los fragmentos de fisión son altamente radiactivos. El
material que resulta de un reactor nuclear es una fuente de contaminación
ambiental que trae graves consecuencias para la vida cuando éste se sale de sus
contenedores. En Estados Unidos existen ahora más de 30 mil toneladas de
residuos radiactivos.
Desafortunadamente
para la historia del ser humano en el planeta Tierra, una de las primeras
aplicaciones que se le dio a la fisión nuclear fue para fines bélicos. A las
8:15 AM el día 6 de agosto de 1945 los Estados Unidos hicieron explotar la
primera bomba atómica sobre la ciudad Japonesa de Hiroshima. Al instante
murieron más de 90 mil personas, los daños ambientales, materiales y
sicológicos aún se siguen sufriendo. Tres días más tarde una segunda bomba
atómica fue lanzada sobre Nagasaki con un número de victimas comparable. La
historia de la humanidad nunca será igual. Los gobiernos de Estados Unidos y
Rusia tienen a su disposición 5.500 cabezas atómicas, suficiente para matar
todos los seres humanos en el planeta Tierra en pocos minutos.
Reactor nuclear
Un reactor nuclear es una
instalación capaz de iniciar, controlar y mantener las reacciones nucleares
(generalmente de fisión) en cadena que se produzcan en el núcleo de esta
instalación.
La composición del reactor
nuclear está formada por el combustible, el refrigerante, los elementos de
control, los materiales estructurales y, en el caso de que se trate de un
reactor nuclear térmico, el moderador.
Los reactores nucleares se
pueden clasificar como reactores térmicos y reactores rápidos.
Los reactores térmicos son
aquellos que funcionan retrasando (moderando) los neutrones más rápidos o
incrementando la proporción de átomos fisibles. Para ralentizar estos
neutrones, llamados neutrones lentos, se necesita un moderador que puede ser
agua ligera, agua pesada o grafito.
Los reactores rápidos son
los que no necesitan moderar la velocidad de los electrones y utilizan
neutrones rápidos.
Para construir un reactor
nuclear es necesario disponer de combustible suficiente, que llamamos masa
crítica. Tener suficiente masa crítica significa disponer de suficiente
material fisible en óptimas condiciones para mantener una reacción en cadena.
La
disposición de absorbentes de neutrones y de las barras de control permite controlar la reacción en
cadena y la parada y puesta en funcionamiento del reactor nuclear.
En el núcleo del reactor se produce y mantiene
la reacción nuclear en cadena con el objetivo de calentar el agua que se
utilizará para accionar las turbinas de la central.
Ventajas
y desventajas de la energía nuclear
Un tercio de la energía generada en Europa proviene de
la energía nuclear, esto supone que se emiten 700 millones de toneladas de
CO2 y otros contaminantes generados a partir de la quema
de combustibles fósiles.
Actualmente se consumen más combustibles fósiles de los que se producen de modo que en
un futuro no muy lejano se agotarían estos recursos. Una de las
grandes ventajas del uso de la energía nuclear es la
relación entre la cantidad de combustible utilizado y la energía obtenida. Esto
se traduce, también, en un ahorro en transportes, residuos, etc.
Al ser una alternativa a los combustibles fósiles como el carbón o
el petróleo, evitaríamos el problema del llamado calentamiento global, el cual,
se cree que tiene una influencia más que importante con el cambio climático del
planeta. Mejoraría la calidad del aire que respiramos con lo que ello
implicaría en el descenso de enfermedades y calidad de vida.
Sobre éste último punto conviene destacar que lo que realmente
tiene una influencia importante con el calentamiento
global son las emisiones provocadas por el transporte por carretera
y que las que generan la generación de energía por combustibles fósiles son relativamente muy pocas. Aún así,
una de las aplicaciones de la energía nuclear (aunque muy poco
utilizada) es convertirla en energía
mecánica para el transporte.
Actualmente la generación de energía eléctrica se
realiza mediante reacciones de fisión nuclear, pero si la fusión
nuclear fuera practicable, ofrecería las siguientes ventajas:
·
Obtendríamos una fuente de combustible inagotable.
·
Evitaríamos accidentes en el reactor por las reacciones en cadena
que se producen en las fisiones.
·
Los residuos generados son mucho menos radiactivos.
Desventajas
de la energía nuclear
El principal inconveniente y lo que la hace más peligrosa es que
seguridad en su uso recae sobre la responsabilidad de las personas. Decisiones
irresponsables pueden provocar accidentes en las centrales nucleares pero, aún
mucho peor, se puede utilizar con fines militares como se demuestra en
la historia de la energía nuclear en que la primera vez que se
utilizó la energía nuclear tras las oportunas investigaciones fue para atacar
Japón en la Segunda Guerra Mundial con dos bombas nucleares.
A nivel civil, uno de los principales inconvenientes es
la generación de residuos nucleares y la dificultad para
gestionarlos ya que tardan muchísimos años en perder
su radioactividad y peligrosidad.
Apenas incide favorablemente en el cambio climático porqué la
principal fuente de emisiones es el transporte por carretera.
En los principales países de producción de energía
nuclear para mantener constante el número de reactores operativos
deberían construirse 80 nuevos reactores en los próximos diez
años.
Si bien económicamente es rentable desde el punto de vista del
combustible consumido respecto a la energía obtenida no lo es tanto
si se analizan los costes de la construcción y puesta en marcha de
una planta nuclear teniendo en cuenta que, por ejemplo en España, la
vida útil de las plantas nucleares es de 40 años.
Inconvenientes de seguridad incrementados ahora con el
terrorismo internacional. Además de la proliferación de energía
nuclear que obligaría a recurrir al plutonio como combustible.
Aunque los sistemas de seguridad son muy avanzados,
las reacciones nucleares por fisión generan unas reacciones en cadena
que si los sistemas de control fallasen provocarían una explosión
radiactiva.
Por otra parte, la energía nuclear de fusión es inviable
debido a la dificultad para calentar el gas a temperaturas tan altas y para
mantener un número suficiente de núcleos durante un tiempo suficiente para
obtener una energía liberada superior a la necesaria para calentar y retener el
gas resulta altamente costoso.
Accidentes nucleares
En
la energía nuclear nos referimos a accidente nuclear a aquellos
sucesos que emiten un determinado nivel de radiación susceptible de perjudicar
a la salud pública.
Los
accidentes nucleares se clasifican entre accidentes e incidentes
nucleares según la gravedad. Y se incluyen tanto los accidentes nucleares
como los accidentes radiactivos. Para entendernos, un accidente nuclear podría
ser la avería en un reactor de una central nuclear y un accidente por radiación
podría ser el vertido de una fuente de radiación a un río.
A
pesar de los accidentes nucleares más conocidos se han producido en centrales
nucleares también pueden suceder en otros centros en los que se trabaje con
energía nuclear, como hospitales o laboratorios de investigación.
Para
determinar la gravedad de un accidente se ha definido una Escala
Internacional de Accidentes Nucleares (más conocida por sus siglas en ingles
INES).
Debido
el secretismo de los gobiernos y las empresas propietarias de las centrales
nucleares es difícil determinar la gravedad o la extensión y repercusiones que
un determinado accidente nuclear puede suponer.
Escala
INES internacional de sucesos nucleares y radiológicos
La
escala INES es un instrumento que se utiliza en todo el mundo para comunicar al
público información sistemática acerca de la importancia de los sucesos
nucleares y radiológicos desde el punto de vista de la seguridad.
Así
como sin las escalas Richter o Celsius no sería fácil entender la información
sobre los terremotos o la temperatura, la escala INES indica la importancia de
los sucesos derivados de una amplia gama de actividades, que abarcan el uso
industrial y médico de fuentes de radiación, la explotación de instalaciones de
energía nuclear y el transporte de materiales radiactivos.
Con
arreglo a esta escala INES, los sucesos se clasifican en siete niveles. Los
sucesos de los niveles 1 a 3 se denominan "incidentes", mientras que
en el caso de los niveles 4 a 7 se habla de "accidentes". Cada
ascenso de nivel en la escala indica que la gravedad de los sucesos es,
aproximadamente, diez veces superior. Cuando los sucesos no revisten
importancia desde el punto de vista de la seguridad se los denomina
"desviaciones" y se clasifican "Debajo de la escala / Nivel
0".
7
Accidente nuclear grave
Accidente nuclear grave
6
Accidente nuclear importante
Accidente nuclear importante
5
Accidente nuclear con riesgo
fuera del emplazamiento
Accidente nuclear con riesgo
fuera del emplazamiento
4
Accidente nuclear sin riesgo
fuera del emplazamiento
Accidente nuclear sin riesgo
fuera del emplazamiento
3
Incidente importante
Incidente importante
2
Incidente
Incidente
1
Anomalía
Anomalía
Entre
los accidentes nucleares podemos mencionar a los siguientes:
Three
Mile Island:
Esta
es una central nuclear de Estados Unidos en la que en el año 1979 tuvo lugar el
peor accidente sufrido por un reactor nuclear en ese país. El núcleo del
reactor sufrió una fusión parcial pero por el buen funcionamiento del edificio
protector solo existió un mínimo escape radioactivo, que no causó grandes
daños. De todos modos, la situación que se generó fue muy peligrosa y la
opinión pública comenzó a afianzar su mirada negativa en este tipo de energía.
Luego
de este accidente, las medidas de seguridad de las centrales nucleares y de sus
alrededores aumentaron. Pero lamentablemente, un nuevo accidente nuclear aconteció.
Chernobyl:
La
central nuclear de Chernobyl, localizada en la antigua Unión Soviética, fue el
escenario de uno de los peores accidentes nucleares. El accidente tuvo lugar el
26 de abril de 1986 y se produjo por unas explosiones en uno de los reactores
nucleares. Estas explosiones largaron importantes cantidades de material
radioactivo a la atmósfera que generaron radiación en las proximidades del
lugar como en muchas zonas del Hemisferio Norte (principalmente afectó a países
de la antigua URSS y a los del Noreste de Europa).
Este
impresionante accidente expuso a muchas personas a la radiactividad, las cuales
la manifestaron con graves daños e incluso varias personas murieron. El tema
también pasa por que los problemas causados por el accidente son a medio y
largo plazo. La contaminación no se elimina fácilmente y de hecho,
algunas tierras agrícolas resultaron contaminadas por la radiactividad y
producto de esta contaminación no podrán usarse por varias decenas de años.
Además,
se observaron muchos más casos de leucemia y las personas aledañas al lugar del
accidente debieron, y deben, someterse periódicamente a exámenes para controlar
su salud.
El
accidente de Chernobyl supuso un hecho gravísimo en la energía nuclear, el cual
evidencio la falta de medidas de seguridad en algunas centrales nucleares y la
poca preparación científica y técnica de algunos responsables de la misma. Esto
se traduce en enormes peligros para millones de personas y para todo el medio
ambiente en general.
Fukushima:
Otras aplicaciones de
la energía nuclear
Aunque
la energía nuclear se utiliza principalmente para la producción de energía eléctrica en
las centrales nucleares ésta no es la única utilidad de la energía nuclear.
Este
tipo de energía aparece en muchos otros aspectos de nuestra vida cotidiana y en
el campo científico.
La energía nuclear tiene otras aplicaciones en
diversos campos:
- Aplicaciones industriales:
con fines de análisis y control de procesos.
- Aplicaciones médicas:
en diagnóstico y terapia de enfermedades.
- Aplicaciones agroalimentarias:
en la producción de nuevas especies, tratamientos de conservación de los
alimentos, lucha contra las plagas de insectos y preparación de vacunas.
- Aplicaciones medioambientales:
en la determinación de cantidades significativas de sustancias
contaminantes en el entorno natural.
- Otras aplicaciones:
como la datación, que emplea las propiedades de fijación del carbono-14 a
los huesos, maderas o residuos orgánicos, determinando su edad
cronológica, y los usos en Geofísica y Geoquímica, que aprovechan la
existencia de materiales radiactivos naturales para la fijación de las
fechas de los depósitos de rocas, carbón o petróleo.
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