Energia Nuclear
reactor nuclear de fision
Un reactor nuclear es un dispositivo en donde se produce una reacción nuclear en cadena controlada. Se puede utilizar para la obtención de energía en las denominadas centrales nucleares, la producción de materiales fisionables, como el plutonio, para ser usados en armamento nuclear, la propulsión de buques o de satélites artificiales o la investigación. Una central nuclear puede tener varios reactores. Actualmente solo producen energía de forma comercial los reactores nucleares de fisión, aunque existen reactores nucleares de fusión experimentales.
También podría decirse que es una instalación física donde se produce, mantiene y controla una reacción nuclear en cadena. Por lo tanto, en un reactor nuclear se utiliza un combustible adecuado que permita asegurar la normal producción de energía generada por las sucesivas fisiones. Algunos reactores pueden disipar el calor obtenido de las fisiones, otros sin embargo utilizan el calor para producir energía eléctrica.
La potencia de un reactor de fisión puede variar desde unos pocos kW térmicos a unos 4500 MWtérmicos (1500 MW "eléctricos"). Deben ser instalados en zonas cercanas al agua, como cualquier central térmica, para refrigerar el circuito, y deben ser emplazados en zonas sísmicamente estables para evitar accidentes. Poseen grandes medidas de seguridad. No emiten gases que dañen la atmósfera pero producen residuos radiactivos que duran decenas de miles de años, y que deben ser almacenados para su posterior uso en reactores avanzados y así reducir su tiempo de vida a unos cuantos cientos de años.
El primer prototipo de reactor nuclear fue construido por Enrico Fermi, sin embargo no fue el primero que funcionó en la Tierra. En Oklo hay evidencias1 de que en la Tierra se produjeron reactores nucleares naturales hace 2000 millones de años.
Bombas nucleares de fision
Una bomba atómica es un dispositivo que obtiene una gran cantidad de energía explosiva con reacciones nucleares. Su funcionamiento se basa en provocar unareacción nuclear en cadena descontrolada. Se encuentra entre las denominadas armas de destrucción masiva y su explosión produce una distintiva nube en forma de hongo. La bomba atómica fue desarrollada por Estados Unidosdurante la Segunda Guerra Mundial gracias al Proyecto Manhattan, y es el único país que ha hecho uso de ella en combate (en 1945, contra las ciudades japonesas deHiroshima y Nagasaki).
Su procedimiento se basa en la fisión de un núcleo pesado en elementos más ligeros mediante el bombardeo deneutrones que, al impactar en dicho material, provocan unareacción nuclear en cadena. Para que esto suceda hace falta usar núcleos fisibles o fisionables como el uranio-235 o el plutonio-239. Según el mecanismo y el material usado se conocen dos métodos distintos para generar una explosión nuclear: el de la bomba de uranio y el de la de plutonio.
En este caso, a una masa de uranio llamada subcrítica se le añade una cantidad del mismo elemento químico para conseguir una masa crítica que comienza a fisionar por sí misma. Al mismo tiempo se le añaden otros elementos que potencian (le dan más fuerza) la creación de neutrones libres que aceleran la reacción en cadena, provocando la destrucción de un área determinada por la onda de choque desencadenada por la liberación de neutrones.
Reactor nuclear de nusion
Instalación destinada a la producción de energía mediante la fusión nuclear. Tras más de 60 años de investigación en este campo, se ha logrado mantener una reacción controlada, si bien aún no es energéticamente rentable.
La mayor dificultad se halla en soportar la enorme presión y temperatura que requiere una fusión nuclear (que sólo es posible encontrar de forma natural en el núcleo de una estrella). Además este proceso requiere una enorme inyección de energía inicial (aunque luego se podría automantener ya que la energía desprendida es mucho mayor)
Actualmente existen dos líneas de investigación, el confinamiento inercial y el confinamiento magnético.
El confinamiento inercial consiste en contener la fusión mediante el empuje de partículas o de rayos láser proyectados contra una partícula de combustible, que provocan su ignición instantánea.
Los dos proyectos más importantes a nivel mundial son el NIF (National Ignition Facility) en EE.UU. y el LMJ (Laser Mega Joule) en Francia.
El confinamiento magnético consiste en contener el material a fusionar en un campo magnético mientras se le hace alcanzar la temperatura y presión necesarias. El hidrógeno a estas temperaturas alcanza el estado de plasma.
Los primeros modelos magnéticos, americanos, conocidos como Stellarator generaban el campo directamente en un reactor toroidal, con el problema de que el plasma se filtraba entre las líneas del campo.
Los ingenieros rusos mejoraron este modelo dando paso al Tokamak en el que un arrollamiento de bobina primario inducía el campo sobre el plasma, aprovechando que es conductor, y utilizándolo de hecho como un arrollamiento secundario. Además la resistencia eléctrica del plasma lo calentaba.
El mayor reactor de este tipo, el JET (toro europeo conjunto) ha conseguido condiciones de fusión nuclear con un factor Q>0,7. Esto significa que el ratio entre la energía generada por fusión y la requerida para sostener la reacción es de 0.7. Para que la reacción se auto sostenga deben alcanzarse parámetros superiores a Q>1 y más aún para su viabilidad económica. El primer objetivo debe ser alcanzado con el proyecto ITER y el segundo con DEMO.
Se ha comprometido la creación de un reactor aun mayor, el ITER uniendo el esfuerzo internacional para lograr la fusión. Aun en el caso de lograrlo seguiría siendo un reactor experimental y habría que construir otro prototipo para probar la generación de energía, el llamado proyecto DEMO.
Posibles combustibles para reactores de fusión nuclear
La reacción óptima para producir energía por fusión es la del deuterio y tritio debido a su elevadasección eficaz. Es también, por ello, la más usada en las pruebas experimentales. La reacción es la siguiente:
- D + T → 4He + n
Obtener deuterio no es difícil ya que es un elemento estable y abundante que se formó en grandes cantidades en la sopa primordial de partículas (véase Big Bang). En el agua una parte por cada 6500 presenta deuterio en lugar de hidrógeno, por lo que se considera que existe una reserva inagotable de deuterio. En un reactor automantenido la reacción deuterio-tritio generaría energía y neutrones. Los neutrones son la parte negativa de la reacción y hay que controlarlos ya que las reacciones decaptación de neutrones en las paredes del reactor o en cualquier átomo del reactivo pueden inducirradiactividad. De hecho, los neutrones, con tiempo suficiente pueden llegar a debilitar la estructura del propio contenedor con el consecuente riesgo de que se produzcan peligrosas fisuras. Para ello están los moderadores y blindajes de neutrones tales como el agua pesada, el berilio, el sodio o el carbonocomo moderadores muy usados en las centrales de fisión, o el boro y el cadmio, usados como productos que paran completamente los neutrones absorbiéndolos. Si se quiere fabricar un reactor realmente limpio habrá que buscar otras fórmulas. Se ha planteado una doble solución al problema de los neutrones y al de la abundancia del tritio. El tritio no se encuentra en la naturaleza ya que es inestable así que hay que fabricarlo. Para obtenerlo se puede recurrir a las centrales de fisión, donde se puede generar por la activación del hidrógeno contenido en el agua, o al bombardeo del litio, material abundante en la corteza terrestre, con neutrones.
- 6Li + n → 4He + T
- 7Li + n → 4He + T +n
Hay dos isótopos estables del litio el litio-6 y el litio-7 siendo éste último mucho más abundante. Por desgracia, la reacción que absorbe neutrones es la que se da con el litio-6, el menos abundante. Todo esto tampoco evita que muchos neutrones acaben impactando con las paredes del propio reactor con la subsiguiente fabricación de átomos radiactivos. A pesar de ello una de las propuestas para el ITER es la de recubrir las paredes con litio-6 el cual pararía una buena parte de los neutrones para producir más tritio. Debido a todos estos problemas se están investigando otras reacciones de sección eficaz alta pero más limpias. Una de la más prometedoras es la del deuterio más helio-3.
- D + 3He → 4He + p
El problema en esta reacción reside en la menor sección eficaz con respecto a la de deuterio-tritio y en la propia obtención del helio-3 que es el isótopo más raro de dicho elemento. Los protones no entrañan tanto peligro como los neutrones ya que estos no serán fácilmente captados por los átomos debido a la barrera coulombiana que deben atravesar cosa que con las partículas de carga neutra como los neutrones no ocurre. Además un protón puede ser manipulado mediante campos electromagnéticos. Una solución para obtener helio-3 artificialmente sería la de incorporar, en el propio reactor, la reacción deuterio-deuterio.
- D + D → 3He + n
El problema es que, de nuevo, obtenemos un neutrón residual, lo que nos devuelve de nuevo al problema de los neutrones. Quizá la clave fuera la obtención de helio-3 natural, pero éste es extremadamente raro en la Tierra. Hay que tener en cuenta que el poco helio-3 natural que se produce por radiactividad tiende a escapar de nuestra densa atmósfera. Lo curioso es que dicho isótopo es abundante en la Luna. Se encuentra esparcido por su superficie y proviene del viento solar que durante miles de millones de años ha bañado la desnuda superficie lunar con sus partículas ionizadas. Este helio lunar podría ser, en un futuro, la clave para los reactores de fusión.
Mientras tanto se está investigando en materiales que aunque se activen, solo den lugar a isótoposde vida media corta, con lo que dejando reposar un periodo corto a esos materiales, podrían considerarse como residuos convencionales (no radiactivos). El problema principal, en cualquier caso, seguiría estando en la dificultad de mantener en condiciones al armazón del núcleo sin que este se deteriorara y hubiese que cambiarlo cada poco tiempo.
Bombas de Hidrogeno
Las bombas de hidrógeno lo que realizan es la fusión (no la fisión) de núcleos ligeros (isótopos del hidrógeno) en núcleos más pesados.
La bomba de hidrógeno (bomba H), bomba térmica de fusión o bomba termonuclear se basa en la obtención de la energía desprendida al fusionarse dos núcleosatómicos, en lugar de la fisión de los mismos.
La energía se desprende al fusionarse los núcleos dedeuterio (2H) y de tritio (3H), dos isótopos del hidrógeno, para dar un núcleo de helio. La reacción en cadena se propaga por los neutrones de alta energía desprendidos en la reacción.
Para iniciar este tipo de reacción en cadena es necesario un gran aporte de energía, por lo que todas las bombas de fusión contienen un elemento llamado iniciador o primario, que no es sino una bomba de fisión. A los elementos que componen la parte fusionable (deuterio, tritio, litio, etc) se les conoce como secundarios.
La primera bomba de este tipo fue detonada en Eniwetok (atolón de las Islas Marshall) el 1 de noviembre de 1952, durante la prueba Ivy Mike, con marcados efectos en el ecosistema de la región. La temperatura alcanzada en la «zona cero» (lugar de la explosión) fue de más de 15 millones de grados, tan caliente como el núcleo del Sol, por unas fracciones de segundo.
Técnicamente hablando las bombas llamadas termonucleares no son bombas de fusión pura sino fisión/fusión/fisión, la detonación del artefacto primario de fisión inicia la reacción de fusión como la descrita pero el propósito de la misma no es generar energía sino neutrones de alta velocidad que son usados para fisionar grandes cantidades de material fisible (235U, 239Pu o incluso 238U) que forma parte del artefacto secundario.
Baterias Atomicas
Los términos batería atómica, pila atómica, batería nuclear, batería de tritio y generador de radioisótopos se emplean para describir un dispositivo que usa las emisiones de un isótoporadioactivo para generar electricidad. Del mismo modo que los reactores nucleares, estas baterías generan electricidad a partir de la energía atómica, pero se diferencian de ellos en que no usan unareacción en cadena. Comparados con otras baterías resultan muy costosos, pero tienen una vida útil muy larga y una gran densidad de energía. Por ello se usan generalmente en equipos que deben funcionar sin ser atendidos durante largos períodos de tiempo, como naves espaciales y estaciones científicas automáticas en lugares remotos.
La tecnología de baterías nucleares comenzó en 1913, cuando Henry Moseley demostró por primera vez la célula Beta, y recibió una atención considerable para aplicaciones que requieren fuentes de energía de larga duración para usos aeroespaciales durante los años 50 y 60. A lo largo de los años se han desarrollado muchos tipos y métodos. Los principios científicos son bien conocidos, pero la moderna nanotecnología y los nuevos semiconductores de banda ancha han creado nuevos dispositivos, así como propiedades materiales interesantes que no estaban disponibles anteriormente.
tipos de baterias atomicas
Betavoltáicos
Estos generadores de corriente eléctrica usan la energía de una fuente radiactiva emisora de partículas beta (electrones). Una fuente común es el tritio, un isótopo del hidrógeno. A diferencia de la mayoría de las fuentes de enrgía nucleares, que usan la radiación nuclear para generar calor que posteriormente se convierte en electricidad (generadores termoeléctricos y termoiónicos), los generadores betavoltáicos usan un proceso de conversión no térmico.
Los generadores betavoltáicos se adaptan especialmente bien a las aplicaciones de baja potencia en las que se requiere una gran duración de la fuente de energía, como en dispositivos médicos implantables y aplicaciones aeroespaciales.
Optoeléctricos
Investigadores del Instituto Kurchatov de Moscú han propuesto una batería nuclear optoeléctrica. Un emisor beta (como por ejemplo el tecnecio-99) estimularía un excímero, el cual genera luz que a su vez alimentaría una célula fotoeléctrica. La batería consistiría en un excímero mezcla de argón/xenónen un recipiente a presión con una superficie interna reflectante, Tc-99 finamente pulverizado, y un mezclador intermitente ultrasónico, iluminando una célula fotoeléctrica con una banda prohibidaajustada para el excímero. La ventaja de este diseño es que no se requieren montajes de precisión de los electrodos, y la mayor parte de las partículas beta escapan del material finamente dividido para contribuir a la potencia de la batería.
Baterías electromecánicas
Las baterías atómicas electromecánicas usan la acumulación de carga entre dos placas para acercar una placa flexible hacia la otra, hasta que ambas se tocan, se descargan y se vuelve a la situación inicial, separándose ambas placas. El movimiento mecánico producido se puede emplear para producir electricidad mediante la deformación de un material piezoeléctrico o con un generador lineal. Se pueden producir miliwatios de potencia en pulsos, en algunos casos varias veces por segundo (35Hz).1
Radioisotopos usados
Las baterías atómicas usan radioisótopos que producen partículas beta de baja energía o, en ocasiones, partículas alfa con diferentes energías. Las partículas beta de baja energía son necesarias para prevenir la producción de radiación penetrante muy energética ("radiacion de frenado" obremsstrahlung) que precisaría el empleo de blindajes pesados. Se han probado radioisótopos como el tritio, niquel-63, prometio-147, curio-242, curio-244 y estroncio-90.
