Enerxía nuclear

La enerxía nuclear ye la enerxía que se llibera bonal o artificialmente nes reaiciones nucleares. Sicasí, esti términu inclúi otru significáu: l'aprovechamientu de dicha enerxía pa otros fines como, por casu, el llogru d'enerxía llétrico, térmico y/o mecánico a partir de reaiciones nucleares, y la so aplicación, bien seya con fines pacíficos o bélicos. Asina, ye común referise a la enerxía nuclear non sólo como'l resultáu d'una reaición sinón como un conceutu más francu qu'inclúi les conocencies y téuniques que dexen l'usu d'esta enerxía por parte del ser humanu. Estes reaiciones danse nos nucleos de dellos isótopos de ciertos elementos químicos, siendo la más conocida la fisión del uraniu-235 (235O), cola que funcionen los reactores nucleares, y la más habitual na naturaleza, nel interior de les estrelles, la fusión del par deuterio-tritio (2H-3H). Sicasí, pa producir esti tipu d'enerxía aprovechando reaiciones nucleares puen ser utilizaos munchos otros isótopos de dellos elementos químicos, como'l toriu-232, el plutoniu-239, l'estronciu-90 o'l poloniu-210 (232Th, 239Pu, 90Sr, 210Po; respeutivamente). Esisten delles disciplines y téuniques qu'usen de base la enerxía nuclear y van dende la xeneración de lletrecidá nes centrales nucleares hasta les téuniques d'análisis de datación arqueolóxica (arqueometría nuclear), la resonancia magnética nuclear usada nos hospitales, etc. Los dos sistemes más investigaos y trabayaos pal llogru d'enerxía aprovechable a partir de la enerxía nuclear de forma masiva yeren la fisión nuclear y la fusión nuclear. La enerxía nuclear pue tresformase de mou escontroláu, como nel interior de les estrelles, dando llugar al armamentu nuclear; o controlada en reactores nucleares nos que se produz enerxía llétrico, enerxía mecánico o enerxía térmico. Tanto los materiales usaos como'l diseñu de les instalaciones yeren dafechu distintes en cada casu. Otra téunica, emplegada principalmente en piles de muncha duración pa sistemes que riquen poco consumu llétricu, ye l'usu de xeneradores termoeléctricos de radioisótopos (GTR, o RTG n'inglés), nos que s'aprovechen les distintes maneres de desintegración pa xenerar lletrecidá en sistemes de termopares a partir del calor tresferíu por una fonte radiactiva. La enerxía esprendida nesos procesos nucleares suel apaecer en forma de partícules subatómiques en movimientu. Eses partícules, al frenase na materia que les arrodia, producen enerxía térmica. Esta enerxía térmica tresfórmase n'enerxía mecánico utilizando motores de combustión esterna, como les turbines de vafu. Dicha enerxía mecánica pue ser emplegada nel tresporte, como por casu nos barcos nucleares; o pa la xeneración d'enerxía lléctrico en centrales nucleares.La principal carauterística d'esti tipu d'enerxía ye l'alta cantidá d'enerxía que pue producise por unidá de masa de material utilizáu en comparanza con cualesquier otru tipu d'enerxía conocío pol ser humanu.

Nucleu de un reactor nuclear de fisión d'investigación *TRIGA*. Pue apreciase la radiación Cherenkov, n'azul.

Historia

Les reacciones nucleares

Nel 1896 Henri Becquerel afayó que dellos elementos químicos emitíen radiaciones. Tanto él como Marie Curie y otros estudiaron les sos propiedaes, afayando qu'estes radiaciones yeren distintes de los yá conocíos Rayos X y que teníen propiedaes distintes, denominando a los trés tipos que consiguieron afayar alfa, beta y gamma.Llueu se vio que toes elles proveníen del nucleu atómicu que describió Rutherford nel 1911.Col usu del neutrinu, partícula descrita teóricamente en 1930 por Pauli poro non midida hasta 1956 por Clyde Cowan y los sos collaboradores, pudo esplicase la radiación beta.Nel 1932 James Chadwick afayó la esistencia del neutrón que Wolfgang Pauli predixera nel 1930, y darréu dempués Enrico Fermi afayó que ciertes radiaciones emitíes en fenómenos non bien comunes de desintegración yeren en realidá estos neutrones.Nel 1934 Fermi atopábase nun esperimentu bombardiando nucleos d'uraniu con estos neutrones recién afayaos, midiendo nueves formes de radiaciones. Nel 1938, n'Alemaña, Lise Meitner, Otto Hahn y Fritz Strassmann verificaron los esperimentos de Fermi. Ye más, nel 1939 demostraron que parte de los productos qu'apaecíen al llevar a cabu estos esperimentos con uraniu yeren nucleos de bariu. Bien puestu llegaron a la conclusión de que yeren resultáu de la división de los nucleos del uraniu. Llevárase a cabu'l descubrimientu de la fisión.En Francia, Joliot Curie afayó qu'amás del bariu, emitíense neutrones secundarios nesa reacción, faciendo facedera la reacción en cadena.Tamién nel 1932 Mark Oliphant teorizó sobro la fusión de nucleos llixeros (d'hidróxenu), describiendo pocu dempués Hans Bethe el funcionamientu de les estrelles basándose nesti mecanismu.

La fisión nuclear

En plena Segunda Guerra Mundial, los militares alemanes afayaron el potencial qu'estos fenómenos podríen suponer y entamaron a desendolcar una bomba basada na fisión: La bomba nuclear. Albert Einstein, nel 1939, robló una carta al presidente Franklin Delano Roosevelt de los Estaos Xuníos, escrita por Leó Szilárd, na que se prevenía sobro esti fechu.El 2 d'avientu de 1942, como parte del proyeutu Manhattan dirixíu por J. Robert Oppenheimer, construyóse'l primer reactor del mundu fechu pol ser humanu (esistió un reactor natural en Oklo): el Chicago Pile-1 (CP-1).Como parte del mesmu programa militar, construyóse un reactor muncho mayor en Hanford, destináu a la producción de plutoniu, y coles mesmes, un proyeutu d'arriquecimientu d'uraniu en cascada. El 16 de xunetu de 1945 foi prebada la primer bomba nuclear (nome en clave Trinity) nel desiertu de Alamogordo. Nesta prueba llevóse a cabu una esplosión equivalente a 19.000.000 de kg de TNT (19 kilotones), una potencia enxamás reparada enantes en nengún otru esplosivu. Dambos proyeutos desendolcaos remataron cola construcción de dos bombes, una d'uraniu arriquecíu y una de plutoniu (Little Boy y Fat Man) que foron llanzaes sobro les ciudaes xaponeses d'Hiroshima (6 d'agostu de 1945) y Nagasaki (9 d'agostu de 1945) respeutivamente. El 15 d'agostu de 1945 acabó la segunda guerra mundial nel Pacíficu cola rendición de Xapón. Pela so parte el programa d'armamentu nuclear alemán (lideráu esti por Werner Heisenberg), nun algamar la so meta enantes de la rendición d'Alemaña'l 8 de mayu de 1945.Darréu lleváronse a cabu programes nucleares na Xunión Soviética (primer prueba d'una bomba de fisión el 29 d'agostu de 1949), Francia y Gran Bretaña, entamando la carrera armamentística en dambos bloques creaos tres la guerra, algamando llendes de potencia destructiva nunca enantes abarruntada pol ser humanu (ca bandu podía ganar y destruyir delles vegaes a tolos sos enemigos).Yá na década de 1940, l'almirante Hyman Rickover propunxo la construcción de reactores de fisión non emponer esta vegada a la fabricación de material pa bombes, sinón a la xeneración de lletrecidá. Estos reactores, pensóse (acertadamente) que podríen constituyir un gran sustitutu del diesel nos submarinos. Construyóse'l primer reactor de preba en 1953, botando'l primer submarín nuclear (el USS Nautilus (SSN-571)) el 17 de xineru de 1955 a les 11:00. El Departamentu de Defensa d'Estaos Xuníos propunxo'l diseñu y construcción d'un reactor nuclear aplicable pa la xeneración llétrica y propulsión nos submarinos a dos empreses distintes norteamericanes: General Electric y Westinghouse. Estes empreses desendolcaron los reactores d'agua llixero tipu BWR y PWR respeutivamente.Estos reactores utilizáronse pa la propulsión de barcos, tanto d'usu militar (submarinos, cruceros, portaviones,...) como civil (ruempexelos y cargueros), onde presenten potencia, amenorgamientu del tamañu de los motores, amenorgamientu nel almacenamientu de combustible y autonomía non ameyoraos por nenguna otra téunica esistente.Los mesmos diseños de reactores de fisión treslladáronse a diseños comerciales pa la xeneración de lletrecidá. Los únicos cambeos producíos nel diseñu col intre del tiempu foron un aumentu de les midíes de seguridá, una mayor eficiencia termodinámica, un aumentu de potencia y l'usu de les nueves teunoloxíes que foron apaeciendo.Ente 1950 y 1960 Canadá desendolcó un nuevu tipu, basáu nel PWR, qu'utilizaba agua pesada como moderador y uraniu natural como combustible, en llugar del uraniu arriquecíu utilizáu polos diseños d'agua llixero. Otros diseños de reactores pal so usu comercial utilizaron carbonu (Magnox, AGR, RBMK o PBR ente otros) o sales fundíos (litio o beriliu ente otros) como moderador. Esti últimu tipu de reactor foi parte del diseñu del primer avión bombarderu (1954) con propulsión nuclear (el US Aircraft Reactor Experiment o ARE). Esti diseñu abandonóse tres el desenvolvimientu de los misiles balísticos intercontinentales (ICBM).Otros países (Francia, Italia, Arxentina ente otros) desendolcaron los sos propios diseños de reactores nucleares pa la xeneración llétrica comercial.En 1946 construyóse'l primer reactor de neutrones rápidos (Clementine) en Los Álamos, con plutoniu como combustible y mercuriu como refrixerante. Nel 1951 construyóse'l EBR-I, el primer reactor rápidu col que s'algamó xenerar lletrecidá. Nel 1996, el Superfénix o SPX, foi'l reactor rápidu de mayor potencia construyíu fasta'l momentu (1200 MWe). Nesti tipu de reactores puen utilizase como combustible los radioisótopos del plutoniu, el toriu y l'uraniu que nun yeren fisibles con neutrones térmicos (llentos).Na década de los 50 Ernest Lawrence propunxo la posibilidá d'utilizar reactores nucleares con geometrías inferiores a la criticidad (reactores subcríticos que'l so combustible podría ser el toriu), nos que la reacción sería soportada por un apurra esternu de neutrones. Nel 1993 Carlo Rubbia propón utilizar una instalación d'espalación na qu'un acelerador de protones produxera los neutrones necesarios pa caltener la instalación. A esti tipu de sistemes conózse-yos como Sistemes asistíos por aceleradores (n'inglés Accelerator driven systems, ADS les sos sigles n'inglés), y prevese que la primer planta d'esti tipu (MYRRHA) entame'l so funcionamientu ente'l 2016 y el 2018 nel centru de Mol (Bélxica).

La fusión nuclear

Fasta'l principiu del s.XX nun s'entendió la forma en que se xeneraba enerxía nel interior de les estrelles pa compensar el colaspo gravitatoriu d'estes. Nun esistía reacción química cola potencia abonda y la fisión tampoco yera capaz. Nel 1938 Hans Bethe llogró esplicalo pente medies de reacciones de fusión, col ciclu CNO, pa estrelles bien pesaes. Posteriormete afayóse'l ciclu protón-protón pa estrelles de menor masa, como'l Sol.Nos años 1940, como parte del proyeutu Manhattan, estudióse la posibilidá del usu de la fusión na bomba nuclear. En 1942 investigóse la posibilidá del usu d'una reacción de fisión como métodu de ignición pa la principal reacción de fusión, sabiendo que podría resultar nuna potencia miles de vegaes superior. Sicasí, en rematando la Segunda Guerra Mundial, el desenvolvimientu d'una bomba d'estes carauterístiques nun foi consideráu primordial hasta la esplosión de la primer bomba atómica rusa en 1949, RDS-1 o Joe-1. Esti eventu provocó qu'en 1950 el presidente d'Estaos Xuníos Harry S. Truman anunciara l'entamu d'un proyeutu que desendolcara la bomba d'hidróxenu. El 1 de payares de 1952 prebóse la primer bomba nuclear (nome en clave Mike, parte de la Operación Ivy o Hedra), con una potencia equivalente a 10.400.000.000 de kg de TNT (10,4 megatones). El 12 d'agostu de 1953 la Xunión Soviética realiza la so primer prueba con un artefautu termonuclear (la so potencia algamó dellos cientos de kilotones).Les condiciones que yeren necesaries p'algamar la ignición d'un reactor de fusión controláu, sicasí, nun foron derivaes hasta 1955 por John D. Lawson. Los criterios de Lawson definieron les condiciones mínimes necesaries de tiempu, mestura y temperatura que tenía de algamar el combustible nuclear (nucleos d'hidróxenu) por que la reacción de fusión caltuviérase. Sicasí, yá en 1946 patentóse'l primer diseñu de reactor termonuclear.6 En 1951 entamó'l programa de fusión d'Estaos Xuníos, sobro la base del stellarator. Nel mesmu añu empezó na Xunión Soviética'l desendolcu del primer Tokamak, dando llugar a los sos primeros esperimentos en 1956. Esti últimu diseñu llogró en 1968 la primer reacción termonuclear cuasiestacionaria enxamás consiguida, demostrándose que yera'l diseñu más eficiente consiguíu hasta la dómina. ITER, el diseñu internacional que tien fecha d'empiezu de les sos operaciones nel añu 2016 y que va intentar resolver los problemes esistentes pa consiguir un reactor de fusión de confinamientu magnético, utiliza esti diseñu.Nel 1962 propúnxose otra téunica p'algamar la fusión basada nel usu de láseres pa consiguir una implosión en pequeñes cápsules llenes de combustible nuclear (de nuevu nucleos de hidrógeno). Sicasí hasta la década de los 70 nun se desendolcaron láseres abondo potentes. Los sos inconvenientes práuticos fixeron d'esta una opción secundaria p'algamar l'envís d'un reactor de fusión. Sicasí, por cuenta de los trataos internacionales que prohibíen la realización d'ensayos nucleares na atmósfera, esta opción (básicamente microexplosiones termonucleares) convirtióse nun escelente llaboratoriu d'ensayos pa los militares, colo que algamó financiación pa la so continuación. Asina se construyeron el National Ignition Facility (NIF, con aniciu de les sos pruebes programaes pa 2010) d'Estaos Xuníos y el Laser Megajoule (LMJ, que va ser completáu nel 2010) francés, qu'escuerren el mesmu envís de consiguir un dispositivu que consiga caltener la reacción de fusión a partir d'esti diseñu. Nengún de los proyeutos d'investigación anguaño en marcha predicen una ganancia d'enerxía significativo, polo que ta previstu un proyeutu posterior que pudiera dar llugar a los primeros reactores de fusión comerciales (DEMO pal confinamientu magnético y HiPER pal confinamientu inercial).

Otros sistemes d'enerxía nuclear

Cola invención de la pila química por Volta nel 1800 diose llugar a una forma compacta y portátil de xeneración d'enerxía. A partir d'entós foi incesante la busca de sistemes que fueren entá menores y que tuvieren una mayor capacidá y duración. Esti tipu de piles, con poques variaciones, fueron abondes pa munches aplicaciones diaries hasta los nuesos tiempos. Sicasí, nel sieglu XX surdieron nueves necesidaes, a causa principalmente de los programes espaciales. Precisábense entós sistemes que tuvieren una duración elevada pa consumos llétricos moderaos y un caltenimientu nulu. Surdieron delles soluciones (como los paneles solares o les célules de combustible), poro según amontábense les necesidaes enerxétiques y apaecíen nuevos problemes (les plaques solares son inútiles n'ausencia de lluz solar), entamóse a estudiar la posibilidá d'utilizar la enerxía nuclear nestos programes.A mediaos de la década de los 50 empezaron n'Estaos Xuníos les primeres investigaciones empuestes a estudiar les aplicaciones nucleares nel espaciu. D'estes surdieron los primeros prototipos de los xeneradores termoeléctricos de radioisótopos (RTG). Estos dispositivos amosaron ser una alternativa por demás interesante tanto nes aplicaciones espaciales como n'aplicaciones terrestres específiques. Nestos artefautos aprovéchense les desintegraciones alfa y beta, convirtiendo toa o gran parte de la enerxía cinética de les partícules emitíes pol nucleu en calor. Esti calor ye dempués tresformáu n'electricidá aprovechando l'efectu Seebeck pente medies de unos termopares, consiguiendo eficiencies aceptables (ente un 5 y un 40% ye lo habitual). Los radioisótopos davezu utilizaos son 210Po, 244Cm, 238Pu, 241Am, ente otros 30 que se consideraron útil. Estos dispositivos consiguen capacidaes d'almacenamientu d'enerxía 4 órdenes de magnitú superiores (10.000 vegaes mayor) a les bateríes convencionales.En 1959 amosóse al públicu'l primer xenerador atómicu.7 En 1961 llanzóse al espaciu'l primer RTG, a bordu del SNAP 3. Esta batería nuclear, qu'alimentaba a un satélite de l'armada norteamericana con una potencia de 2,7 W, caltuvo'l so funcionamientu ininterrumpíu mientres 15 años.RTG del New Horizons (nel centru embaxo, en negru), misión non tripulada a Plutón. La sonda foi llanzada en xineru de 2006 y va algamar el so envís en xunetu de 2015.Estos sistemes utilizáronse y síguense usando en programes espaciales bien conocíos (Pioneer, Voyager, Galileo, Apolo y Ulises ente otros). Asina por casu en 1972 y 1973 llanzáronse los Pioneer 10 y 11, convirtiéndose'l primeru d'ellos nel primer oxetu humanu de la hestoria qu'abandonaba'l sistema solar. Dambos satélites siguieron funcionando hasta 17 años dempués de los sos llanzamientos.La misión Ulises (misión conxunta ESA-NASA) unvióse en 1990 pa estudiar el Sol, siendo la primer vegada qu'un satélite cruciaba dambos polos solares. Pa poder faelo hubo qu'unviar el satélite nuna órbita alredor de Xúpiter. Por cuenta de la duración del RTG que caltién el so funcionamientu enllargó la misión de cuenta que se pudiera volver realizar otru viaxe alredor del Sol. Anque paeciera estrañu qu'esti satélite nun usara paneles solares en llugar d'un RTG, puede entendese al comparar los sos pesos (un panel de 544 kg xeneraba la mesma potencia qu'un RTG de 56). Naquellos años nun esistía un cohete que pudiera unviar a la so órbita al satélite con esi pesu extra.Estes bateríes non solo apurren lletrecidá, sinón qu'en dellos casos, el mesmu calor xeneráu utilízase pa evitar la congelación de los satélites en viaxes nos que'l calor del Sol nun ye abondu, por casu en viaxes fora del sistema solar o en misiones a los polos de la Lluna.Nel 1966 instalóse'l primer RTG terrestre na islla despoblada Fairway Rock, permaneciendo en funcionamientu hasta 1995, momentu nel que se desmanteló. Otros munchos faros asitiaos en zones inaccesibles allegaes a los polos (sobremanera na Xunión Soviética), utilizaron estos sistemes. Sábese que la Xunión Soviética fabricó más de 1000 unidaes pa estos usos.Una aplicación que se dio a estos sistemes foi'l so usu como marcapasos.8 Hasta los 70 usábase pa estes aplicaciones bateríes de mercurio-zinc, que teníen una duración d'unos 3 años. Nesta década introducieron les bateríes nucleares p'aumentar la llonxevidá d'estos artefautos, faciendo posible qu'un paciente mozu tuviera enllantáu solu unu d'estos artefautos pa tola so vida. Nos años 1960, la empresa Medtronic contautó con Alcatel pa diseñar una batería nuclear, enllantando'l primer marcapasos alimentáu con un RTG nun paciente en 1970 en París. Dellos fabricantes construyeron los sos propios diseños, pero a mediaos d'esta década fueron movíos poles nueves bateríes de litio, que teníen vides d'unos 10 años (consideráu abondu polos médicos anque tuviera de sustituyise delles vegaes hasta la muerte del paciente). A mediaos de los años 1980 detúvose l'usu d'estos implantes, anque entá esisten persones que siguen portando esti tipu de dispositivos.

Referencies

Enllaces esternos

Wikimedia Commons tien conteníu multimedia tocante a Enerxía nuclear.