Energía nuclear para niños

La energía nuclear (también llamada energía atómica) es la energía que se libera de forma natural o artificial durante las reacciones nucleares. Este término también se refiere a cómo usamos esta energía para diferentes propósitos, como producir energía eléctrica, calor o movimiento, a partir de cambios en los núcleos de los átomos. Así, la energía nuclear no es solo el resultado de una reacción, sino también el conjunto de conocimientos y técnicas que nos permiten usarla.

Estas reacciones ocurren en los núcleos de algunos isótopos de ciertos elementos químicos (llamados radioisótopos). La más conocida es la fisión del uranio-235, que es la que usan los reactores nucleares. En la naturaleza, dentro de las estrellas, la reacción más común es la fusión de deuterio y tritio. Sin embargo, se pueden usar muchos otros isótopos de elementos como el torio-232, el plutonio-239, el estroncio-90 o el polonio-210 para producir este tipo de energía.

La energía atómica se usa en varias áreas, desde la generación de energía eléctrica en las centrales nucleares hasta técnicas para fechar objetos antiguos (arqueometría nuclear) y tratamientos en medicina nuclear en hospitales.

Los métodos más estudiados para obtener energía nuclear a gran escala son la fisión nuclear y la fusión nuclear. La energía atómica puede liberarse de forma controlada en reactores nucleares para producir electricidad, movimiento o calor. Los materiales y el diseño de las instalaciones son muy diferentes según el uso.

Otra técnica, usada principalmente en baterías de larga duración para sistemas que necesitan poca electricidad, es la de los generadores termoeléctricos de radioisótopos (GTR). Estos aprovechan las diferentes formas de desintegración para generar electricidad a partir del calor que produce una fuente radiactiva.

La energía que se libera en estos procesos nucleares suele aparecer como partículas subatómicas en movimiento. Cuando estas partículas se frenan en la materia que las rodea, producen calor. Este calor se convierte en energía mecánica usando motores de combustión externa, como las turbinas de vapor. Esta energía mecánica se puede usar en el transporte, por ejemplo, en los buques nucleares.

La característica principal de la energía nuclear es la gran cantidad de energía que puede producirse por unidad de masa de material, comparada con cualquier otra fuente de energía conocida. Sin embargo, el proceso no es muy eficiente, ya que se pierde entre el 86% y el 92% de la energía liberada.

En las reacciones nucleares se libera una enorme cantidad de energía porque la masa de las partículas involucradas se transforma directamente en energía. Esto se explica con la relación masa-energía propuesta por el físico Albert Einstein.

Historia de la Energía Nuclear

Descubrimiento de las Reacciones Nucleares

En 1896, Henri Becquerel descubrió que algunos elementos químicos emitían radiaciones. Él, Marie Curie y otros científicos estudiaron estas radiaciones. Descubrieron que eran diferentes de los rayos X y que tenían propiedades distintas. Las llamaron alfa, beta y gamma.

Pronto se dieron cuenta de que todas estas radiaciones provenían del núcleo atómico, que fue descrito por Ernest Rutherford en 1911.

Con el descubrimiento del neutrino, una partícula predicha en 1930 por Wolfgang Pauli y detectada en 1956 por Clyde Cowan, se pudo explicar la radiación beta.

En 1932, James Chadwick descubrió el neutrón, que Pauli había predicho. Poco después, Enrico Fermi encontró que ciertas radiaciones emitidas en fenómenos poco comunes eran en realidad estos neutrones.

Durante la década de 1930, Enrico Fermi y sus colegas bombardearon más de 60 elementos con neutrones, incluyendo el uranio-235. Así produjeron las primeras fisiones nucleares artificiales. En 1938, en Alemania, Lise Meitner, Otto Hahn y Fritz Strassmann confirmaron los experimentos de Fermi. En 1939, demostraron que algunos de los productos que aparecían al experimentar con uranio eran núcleos de bario. Rápidamente concluyeron que eran el resultado de la división de los núcleos de uranio. Habían descubierto la fisión.

En Francia, Joliot Curie descubrió que, además del bario, se emitían neutrones secundarios en esa reacción, lo que hacía posible una reacción en cadena.

También en 1932, Mark Oliphant teorizó sobre la fusión de núcleos ligeros (de hidrógeno). Poco después, Hans Bethe describió cómo funcionan las estrellas, basándose en este mecanismo.

La Fisión Nuclear

En física nuclear, la fisión es una reacción que ocurre en el núcleo atómico. La fisión sucede cuando un núcleo pesado se divide en dos o más núcleos más pequeños, liberando también neutrones libres, fotones (generalmente rayos gamma) y otros fragmentos del núcleo.

Durante la Segunda Guerra Mundial, se investigó la energía nuclear para usos militares. Albert Einstein, en 1939, envió una carta al presidente estadounidense Franklin Delano Roosevelt, escrita por Leó Szilárd, advirtiendo sobre estos desarrollos.

El 2 de diciembre de 1942, como parte de un proyecto de investigación, se construyó el primer reactor nuclear hecho por el ser humano: el Chicago Pile-1 (CP-1).

Más tarde, se construyó un reactor más grande en Hanford para producir materiales específicos, y al mismo tiempo, un proyecto para preparar uranio. El 16 de julio de 1945, se realizó una prueba en el desierto de Alamogordo. Este proyecto llevó a la creación de dos dispositivos que fueron usados en Hiroshima (6 de agosto de 1945) y Nagasaki (9 de agosto de 1945). La Segunda Guerra Mundial en el Pacífico terminó el 15 de agosto de 1945 con la rendición de Japón.

Después, otros países como la Unión Soviética, Francia y Gran Bretaña también desarrollaron programas nucleares.

En la década de 1940, el almirante Hyman Rickover propuso construir reactores de fisión no para fines militares, sino para generar electricidad. Se pensó que estos reactores podrían reemplazar al diésel en los submarinos. El primer reactor nuclear para producir energía eléctrica comenzó a funcionar el 26 de junio de 1954 en Óbninsk, en la antigua Unión Soviética, con una capacidad de 5000 kV.

En Estados Unidos, el primer reactor de prueba para producir energía (en un contexto militar) se construyó en 1953. Bajo la dirección del almirante Hyman Rickover, se desarrollaron reactores para submarinos. El primer submarino nuclear, el USS Nautilus (SSN-571), fue botado el 17 de enero de 1955. El Departamento de Defensa estadounidense propuso el diseño y construcción de un reactor nuclear para generar electricidad y propulsión en submarinos a dos empresas: General Electric y Westinghouse. Estas empresas desarrollaron los reactores de agua ligera tipo BWR y PWR respectivamente.

Estos reactores se han usado para la propulsión nuclear de buques, tanto militares (submarinos, cruceros, portaaviones) como civiles (rompehielos y cargueros). Ofrecen gran potencia, motores más pequeños, menos necesidad de almacenar combustible y una autonomía que ninguna otra técnica iguala.

Los mismos diseños de reactores de fisión se adaptaron para la generación comercial de electricidad. Con el tiempo, los cambios en el diseño incluyeron mayores medidas de seguridad, mejor eficiencia y más potencia.

Entre 1950 y 1960, Canadá desarrolló un nuevo tipo de reactor, basado en el PWR, que usaba agua pesada como moderador y uranio natural como combustible, en lugar del uranio enriquecido de los diseños de agua ligera. Otros diseños de reactores comerciales usaron carbono o sales fundidas como moderador.

En 1946, se construyó el primer reactor de neutrones rápidos (Clementine) en Los Álamos, usando plutonio como combustible y mercurio como refrigerante. En 1951, el EBR-I fue el primer reactor rápido que generó electricidad. En 1996, el Superfénix o SPX fue el reactor rápido más potente construido hasta entonces (1200 MWe). Estos reactores pueden usar radioisótopos de plutonio, torio y uranio que no se fisionan con neutrones térmicos (lentos).

En la década de 1950, Ernest Lawrence propuso usar reactores nucleares con un tamaño menor al crítico (reactores subcríticos) que podrían usar torio como combustible. La reacción se mantendría con un aporte externo de neutrones. En 1993, Carlo Rubbia propuso usar una instalación de espalación donde un acelerador de protones produciría los neutrones necesarios. Estos sistemas se conocen como Sistemas asistidos por aceleradores (ADS). Se espera que la primera planta de este tipo (MYRRHA) comience a funcionar en 2033 en Mol, Bélgica.

La Fusión Nuclear

En física nuclear, la fusión nuclear es el proceso por el cual varios núcleos atómicos con carga similar se unen para formar un núcleo más pesado. Al mismo tiempo, se libera o absorbe una enorme cantidad de energía, lo que hace que la materia entre en un estado de plasma. La fusión de dos núcleos más ligeros que el hierro generalmente libera energía. Por el contrario, la fusión de núcleos más pesados que el hierro absorbe energía. En el proceso inverso, la fisión nuclear, estos fenómenos ocurren en direcciones opuestas. Hasta principios del siglo XX, no se entendía cómo se generaba la energía dentro de las estrellas para evitar su colapso gravitatorio. No había una reacción química lo suficientemente potente, y la fisión tampoco era suficiente. En 1938, Hans Bethe lo explicó mediante reacciones de fusión, con el ciclo CNO para estrellas muy masivas. Más tarde se descubrió el ciclo protón-protón para estrellas más pequeñas, como el Sol.

En la década de 1940, como parte de un proyecto de investigación, se estudió la posibilidad de usar la fusión para aplicaciones militares. En 1942, se investigó la posibilidad de usar una reacción de fisión como método para iniciar la reacción principal de fusión, sabiendo que podría resultar en una potencia miles de veces superior. Sin embargo, después de la Segunda Guerra Mundial, el desarrollo de un dispositivo de estas características no se consideró prioritario hasta la prueba de un dispositivo nuclear ruso en 1949. Este evento llevó al presidente estadounidense Harry S. Truman a anunciar en 1950 el inicio de un proyecto para desarrollar un dispositivo de fusión. El 1 de noviembre de 1952, se probó el primer dispositivo de fusión (nombre en clave Mike). El 12 de agosto de 1953, la Unión Soviética realizó su primera prueba con un dispositivo termonuclear.

Las condiciones necesarias para lograr una reacción de fusión controlada fueron definidas en 1955 por John D. Lawson. Los criterios de Lawson establecieron las condiciones mínimas de tiempo, densidad y temperatura que el combustible nuclear (núcleos de hidrógeno) debía alcanzar para que la reacción de fusión se mantuviera. Sin embargo, ya en 1946 se patentó el primer diseño de reactor termonuclear. En 1951, comenzó el programa de fusión de Estados Unidos, basado en el stellarator. En el mismo año, la Unión Soviética comenzó el desarrollo del primer Tokamak, realizando sus primeros experimentos en 1956. Este último diseño logró en 1968 la primera reacción termonuclear casi estacionaria, demostrando ser el diseño más eficiente hasta la fecha. ITER, el diseño internacional que comenzará sus operaciones en 2016 y que intentará resolver los problemas para lograr un reactor de fusión de confinamiento magnético, utiliza este diseño.

En 1962, se propuso otra técnica para lograr la fusión usando láseres para implosionar pequeñas cápsulas llenas de combustible nuclear (núcleos de hidrógeno). Sin embargo, no fue hasta la década de 1970 que se desarrollaron láseres lo suficientemente potentes. Sus inconvenientes prácticos la convirtieron en una opción secundaria para un reactor de fusión. Sin embargo, debido a los tratados internacionales que prohibían los ensayos nucleares en la atmósfera, esta opción (básicamente microexplosiones termonucleares) se convirtió en un excelente laboratorio de pruebas para fines militares, lo que le permitió obtener financiación. Así, se han construido el National Ignition Facility (NIF) en Estados Unidos y el Láser Mégajoule (LMJ) en Francia, que buscan mantener la reacción de fusión con este diseño. Ninguno de los proyectos de investigación actuales predice una ganancia de energía significativa, por lo que se planea un proyecto posterior que podría dar lugar a los primeros reactores de fusión comerciales (DEMO con confinamiento magnético e HiPER con confinamiento inercial).

Otros Sistemas de Energía Nuclear

Con la invención de la pila química por Volta en 1800, se obtuvo una forma compacta y portátil de generar energía. Desde entonces, se buscó incansablemente sistemas aún más pequeños con mayor capacidad y duración. Este tipo de pilas, con pocas variaciones, han sido suficientes para muchas aplicaciones diarias hasta hoy. Sin embargo, en el siglo XX surgieron nuevas necesidades, principalmente debido a los programas espaciales. Se requerían sistemas de larga duración para consumos eléctricos moderados y sin mantenimiento. Surgieron varias soluciones (como los paneles solares o las células de combustible), pero a medida que aumentaban las necesidades energéticas y aparecían nuevos problemas (las placas solares son inútiles sin luz solar), se empezó a estudiar la posibilidad de usar la energía nuclear en estos programas.

A mediados de la década de 1950, comenzaron en Estados Unidos las primeras investigaciones sobre aplicaciones nucleares en el espacio. De estas surgieron los primeros prototipos de los generadores termoeléctricos de radioisótopos (RTG). Estos dispositivos demostraron ser una alternativa muy interesante tanto en aplicaciones espaciales como en aplicaciones terrestres específicas. En estos aparatos, se aprovechan las desintegraciones alfa y beta, convirtiendo toda o gran parte de la energía de las partículas emitidas por el núcleo en calor. Este calor se transforma luego en electricidad aprovechando el efecto Seebeck mediante termopares, logrando eficiencias aceptables (entre 5% y 40%). Los radioisótopos más usados son el ²¹⁰Po, ²⁴⁴Cm, ²³⁸Pu y ²⁴¹Am, entre otros 30 considerados útiles. Estos dispositivos logran capacidades de almacenamiento de energía 10.000 veces superiores a las baterías convencionales.

En 1959, se mostró al público el primer generador atómico. En 1961, se lanzó al espacio el primer RTG, a bordo del SNAP 3. Esta batería nuclear, que alimentaba un satélite de la armada estadounidense con una potencia de 2,7 W, funcionó sin interrupción durante 15 años.

Estos sistemas se han usado y se siguen usando en programas espaciales muy conocidos (Pioneer, Voyager, Galileo, Apolo y Ulises, entre otros). Por ejemplo, en 1972 y 1973 se lanzaron los Pioneer 10 y 11, siendo el primero el primer objeto humano en la historia en abandonar el sistema solar. Ambos satélites siguieron funcionando hasta 17 años después de su lanzamiento.

La misión Ulises (conjunta ESA-NASA) se envió en 1990 para estudiar el Sol, siendo la primera vez que un satélite cruzaba ambos polos solares. Para lograrlo, el satélite tuvo que ser enviado en una órbita alrededor de Júpiter. Debido a la duración del RTG que lo mantiene en funcionamiento, la misión se prolongó para poder realizar otro viaje alrededor del Sol. Aunque parezca extraño que este satélite no usara paneles solares en lugar de un RTG, se entiende al comparar sus pesos (un panel de 544 kg generaba la misma potencia que un RTG de 56 kg). En aquellos años no existía un cohete que pudiera enviar el satélite a su órbita con ese peso extra.

Estas baterías no solo proporcionan electricidad, sino que en algunos casos, el calor generado se usa para evitar que los satélites se congelen en viajes donde el calor del Sol no es suficiente, por ejemplo, en viajes fuera del sistema solar o en misiones a los polos de la Luna.

En 1965, se instaló el primer RTG terrestre para el faro de la isla deshabitada Fairway Rock, funcionando hasta 1995, cuando fue desmantelado. Muchos otros faros en zonas inaccesibles cercanas a los polos (especialmente en la Unión Soviética) usaron estos sistemas. Se sabe que la Unión Soviética fabricó más de 1000 unidades para estos usos.

Una aplicación de estos sistemas fue su uso como marcapasos. Hasta los años 70, se usaban baterías de mercurio-zinc para esto, con una duración de unos 3 años. En esta década, se introdujeron las baterías nucleares para aumentar la vida útil de estos aparatos, permitiendo que un paciente joven tuviera un solo dispositivo implantado para toda su vida. En la década de 1960, la empresa Medtronic contactó con Alcatel para diseñar una batería nuclear, implantando el primer marcapasos alimentado con un RTG en un paciente en 1970 en París. Varios fabricantes crearon sus propios diseños, pero a mediados de esta década fueron reemplazados por las nuevas baterías de litio, que duraban unos 10 años (considerado suficiente por los médicos, aunque debieran reemplazarse varias veces). A mediados de los años 80, se detuvo el uso de estos implantes, aunque todavía hay personas que los llevan.

Fundamentos Físicos de la Energía Nuclear

Sir James Chadwick descubrió el neutrón en 1932, lo que se considera el inicio de la física nuclear moderna.

El modelo de átomo propuesto por Niels Bohr describe un núcleo central con la mayor parte de la masa del átomo (neutrones y protones), rodeado por capas de partículas cargadas casi sin masa (electrones). El átomo mide alrededor de un angstrom (10^-10 m), mientras que el núcleo es 100.000 veces más pequeño, midiendo en fermis (10^-15 m).

Todos los átomos neutros (sin carga eléctrica) tienen el mismo número de electrones que de protones. Un elemento químico se identifica por el número de protones en su núcleo, llamado número atómico (Z). Sin embargo, el número de neutrones (N) puede variar para un mismo elemento. Para valores bajos de Z, el número de neutrones es similar al de protones, pero a medida que Z aumenta, se necesitan más neutrones para mantener la estabilidad del núcleo. Los átomos que solo se diferencian por el número de neutrones (y, por lo tanto, por su masa) se llaman isótopos del mismo elemento. La masa atómica de un isótopo es la suma de protones y neutrones (nucleones) en su núcleo, u.

Para nombrar un isótopo, se usa la letra del elemento químico, con un superíndice que es la masa atómica y un subíndice que es el número atómico (por ejemplo, el isótopo 238 del uranio se escribe como ).

El Núcleo Atómico

Los neutrones y protones que forman los núcleos tienen una masa aproximada de 1 u. El protón tiene carga eléctrica positiva (+1), mientras que el neutrón no tiene carga eléctrica. Si solo existieran las fuerzas electromagnética y gravitatoria, el núcleo sería inestable (las partículas de igual carga se repelerían, deshaciendo el núcleo), lo que haría imposible la existencia de la materia. Por eso, fue necesario añadir una tercera fuerza a los modelos: la fuerza fuerte (hoy llamada fuerza nuclear fuerte residual). Esta fuerza es muy intensa, atractiva a distancias muy cortas (solo dentro de los núcleos) y repulsiva a distancias aún más cortas (del tamaño de un nucleón). En 1935, Hideki Yukawa propuso la existencia de una nueva partícula, el mesón, para explicar esta fuerza. El pion, el mesón más ligero, es el responsable de la mayor parte del potencial entre nucleones a largo alcance.

Otros experimentos con núcleos indicaron que su forma es aproximadamente esférica, con un radio fm, donde A es la masa atómica. Esto significa que la densidad de los núcleos es la misma. Esta característica llevó a comparar los núcleos con un líquido, dando origen al modelo de la gota líquida, fundamental para entender la fisión de los núcleos.

La masa de un núcleo no es exactamente la suma de las masas de sus nucleones. Como demostró Albert Einstein, la energía que mantiene unidos a los nucleones es la diferencia entre la masa del núcleo y la de sus componentes, y se calcula con la ecuación . Así, al "pesar" los átomos y sus componentes por separado, se puede determinar la energía media por nucleón que los mantiene unidos.

En la gráfica, se observa que los núcleos muy ligeros tienen menos energía de ligadura que los un poco más pesados (lado izquierdo). Esta característica es la base de la liberación de energía en la fusión. Por el contrario, en el lado derecho, los elementos muy pesados tienen menor energía de ligadura que los más ligeros. Esta es la base de la emisión de energía por fisión. La diferencia es mucho mayor en la fusión que en la fisión.

Fisión

Después de descubrir el neutrón, Fermi realizó experimentos bombardeando diferentes núcleos con estas nuevas partículas. Observó que, al usar neutrones de bajas energías, a veces el neutrón era absorbido y se emitían fotones.

Para entender este comportamiento, repitió el experimento sistemáticamente con todos los elementos de la tabla periódica. Así descubrió nuevos elementos radiactivos, pero al llegar al uranio obtuvo resultados diferentes. Lise Meitner, Otto Hahn y Fritz Strassmann explicaron el nuevo fenómeno al suponer que el núcleo de uranio, al capturar un neutrón, se dividía en dos partes de masas aproximadamente iguales. De hecho, detectaron bario, cuya masa es aproximadamente la mitad que la del uranio. Más tarde se descubrió que esta división (o fisión) no ocurría en todos los isótopos de uranio, sino solo en el ²³⁵U. Y aún más tarde, se supo que esta división podía dar lugar a muchísimos elementos distintos, cuya distribución de aparición es muy característica.

En la fisión de un núcleo de uranio, no solo aparecen dos núcleos más ligeros, sino que también se emiten 2 o 3 neutrones (en promedio 2,5 en el caso del ²³⁵U) a alta velocidad. Como el uranio es un núcleo pesado, no se cumple la relación N=Z (igual número de protones que de neutrones) que sí se cumple para los elementos más ligeros. Por lo tanto, los productos de la fisión tienen un exceso de neutrones. Este exceso de neutrones hace que estos productos de fisión sean inestables (radiactivos), y alcanzan la estabilidad al desintegrarse los neutrones excedentes, generalmente por desintegración beta. La fisión del ²³⁵U puede producirse de más de 40 formas diferentes, originando más de 80 productos de fisión distintos, que a su vez se desintegran formando cadenas de desintegración. Así, finalmente aparecen cerca de 200 elementos a partir de la fisión del uranio.

La energía liberada en la fisión de cada núcleo de ²³⁵U es, en promedio, de 200 MeV. Los minerales de uranio suelen tener alrededor de 1 gramo de uranio por kg de mineral. Como el contenido de ²³⁵U en el uranio natural es del 0,7%, se obtiene que por cada kg de mineral extraído tendríamos átomos de ²³⁵U. Si fisionamos todos esos átomos (1 gramo de uranio), obtendríamos teóricamente una energía liberada de por gramo. En comparación, la combustión de 1 kg de carbón de la mejor calidad (antracita) produce unos . Es decir, se necesitan más de 10 toneladas de antracita para obtener la misma energía que hay en 1 kg de uranio natural.

La aparición de 2,5 neutrones por cada fisión permite la idea de una reacción en cadena, si al menos un neutrón de esos 2,5 logra fisionar un nuevo núcleo de uranio. La idea de la reacción en cadena es común en otros procesos químicos. Los neutrones emitidos por la fisión no son útiles inmediatamente si se quiere controlar la reacción, sino que hay que frenarlos (moderarlos) hasta una velocidad adecuada. Esto se logra rodeando los átomos con otro elemento de bajo Z, como hidrógeno, carbono o litio, material llamado moderador.

Otros átomos que pueden fisionar con neutrones lentos son el ²³³U o el ²³⁹Pu. También es posible la fisión con neutrones rápidos (de altas energías), como el ²³⁸U (140 veces más abundante que el ²³⁵U) o el ²³²Th (400 veces más abundante que el ²³⁵U).

La teoría básica de la fisión fue propuesta por Bohr y Wheeler, usando un modelo donde los núcleos de los átomos se comportan como gotas líquidas.

La fisión también puede lograrse mediante partículas alfa, protones o deuterones.

Fusión

Mientras que la fisión es un fenómeno natural en la Tierra (aunque poco frecuente), la fusión es completamente artificial en nuestro entorno (aunque es común en el centro de las estrellas). Sin embargo, esta energía tiene ventajas sobre la fisión. Por un lado, el combustible es abundante y fácil de conseguir. Por otro lado, sus productos son elementos estables, ligeros y no radiactivos.

En la fusión, a diferencia de la fisión donde los núcleos se dividen, la reacción consiste en la unión de dos o más núcleos ligeros. Esta unión produce un núcleo más pesado que los iniciales y neutrones. La fusión se logró incluso antes de comprender completamente las condiciones necesarias para el desarrollo de dispositivos, limitándose a conseguir condiciones extremas de presión y temperatura usando un dispositivo de fisión como iniciador. Pero no fue hasta que Lawson definió los criterios mínimos de tiempo, densidad y temperatura que se empezó a comprender el funcionamiento de la fusión.

Aunque en las estrellas la fusión ocurre entre varios elementos químicos, el elemento con el que es más fácil lograrla es el hidrógeno. El hidrógeno tiene tres isótopos: el hidrógeno común (), el deuterio () y el tritio (). Esto se debe a que la fusión requiere superar la repulsión electrostática entre los núcleos al unirse; a menor carga eléctrica, menor es esta repulsión. Además, a mayor cantidad de neutrones, más pesado será el núcleo resultante (más arriba en la gráfica de energías de ligadura), lo que significa que se liberará más energía en la reacción.

Una reacción particularmente interesante es la fusión de deuterio y tritio:

En esta reacción se liberan 17,6 MeV por fusión, más que en el resto de combinaciones con isótopos de hidrógeno. Además, esta reacción produce un neutrón muy energético que puede usarse para generar combustible adicional para futuras reacciones de fusión, por ejemplo, usando litio. La energía liberada por gramo con esta reacción es casi mil veces mayor que la lograda en la fisión de un gramo de uranio natural (unas siete veces superior si fuera un gramo de ²³⁵U puro).

Para superar la repulsión electrostática, es necesario que los núcleos a fusionar alcancen una energía de aproximadamente 10 keV. Esta energía se obtiene mediante un calentamiento intenso (como en las estrellas, donde se alcanzan temperaturas de 10⁸ K), lo que implica un movimiento muy rápido de los átomos. Además de esa velocidad para vencer la repulsión electrostática, la probabilidad de que ocurra la fusión debe ser alta para que la reacción suceda. Esto significa que debe haber suficientes átomos con energía suficiente durante un tiempo mínimo. El criterio de Lawson establece que el producto entre la densidad de núcleos con esa energía y el tiempo durante el cual deben permanecer en ese estado debe ser .

Los dos métodos en desarrollo para aprovechar de forma útil (no militar) la energía liberada en esta reacción son el confinamiento magnético y el confinamiento inercial (con fotones de láser o partículas de aceleradores).

Desintegración Alfa

Esta reacción es una forma de fisión espontánea, donde un núcleo pesado emite una partícula alfa (α) con una energía típica de unos 5 MeV. Una partícula α es un núcleo de helio, formado por dos protones y dos neutrones. Al emitirla, el núcleo cambia, por lo que el elemento químico que sufre esta desintegración se transforma en otro distinto. Una reacción natural típica es la siguiente:

En la que un átomo de ²³⁸U se transforma en otro de ²³⁴Th.

En 1928, George Gamow dio una explicación teórica a la emisión de estas partículas. Supuso que la partícula alfa convivía dentro del núcleo con el resto de los nucleones de forma casi independiente. Por efecto túnel, a veces estas partículas superan la barrera de energía que crea el núcleo, separándose de él a una velocidad del 5% de la velocidad de la luz.

Desintegración Beta

Existen dos tipos de desintegración beta. En el tipo β⁻, la fuerza débil convierte un neutrón (n⁰) en un protón (p⁺) y al mismo tiempo emite un electrón (e⁻) y un antineutrino ():

.

En el tipo β⁺, un protón se transforma en un neutrón emitiendo un positrón (e⁺) y un neutrino ():

.

Sin embargo, este último modo no se presenta de forma aislada, sino que necesita un aporte de energía.

La desintegración beta cambia el elemento químico que la sufre. Por ejemplo, en la desintegración β⁻, el elemento se transforma en otro con un protón (y un electrón) más. Así, en la desintegración del ¹³⁷Cs por β⁻:

En 1934, Enrico Fermi logró crear un modelo de esta desintegración que explicaba correctamente su comportamiento.

Tecnología Nuclear

Aplicaciones de Defensa y Propulsión

Un dispositivo es todo instrumento o máquina que se usa para atacar o defenderse. En este sentido, existen aplicaciones de la energía nuclear para la defensa:

1. Aquellas que usan la energía nuclear directamente para la defensa, es decir, los explosivos que usan la fisión o la fusión.
2. Aquellas que usan la energía nuclear para su propulsión, y que podrían usarla para su detonación. En esta categoría se incluyen los buques de guerra de propulsión nuclear (cruceros, portaaviones, submarinos, etc.).

Buques de Propulsión Nuclear

Durante la Segunda Guerra Mundial, se vio que el submarino podía ser muy importante, pero tenía un problema: necesitaba salir a la superficie con frecuencia para obtener aire para sus motores diésel. La invención del snorkel mejoró esto, pero no lo solucionó del todo. El Almirante Hyman G. Rickover fue el primero en pensar que la energía nuclear podría ayudar.

El desarrollo de los reactores nucleares permitió un nuevo tipo de motor con ventajas clave:

1. No necesita aire para funcionar, ya que no se basa en la combustión.
2. Una pequeña cantidad de combustible nuclear permite una autonomía de varios meses (incluso años) sin repostar. Por ejemplo, los submarinos de Estados Unidos no necesitan repostar durante toda su vida útil.
3. Una empuje que ningún otro motor puede igualar, lo que permitió construir submarinos mucho más grandes. El submarino más grande construido hasta la fecha son los de la clase Akula rusos (desplazamiento de 48.000 toneladas, 175 m de longitud).

Estas ventajas llevaron a buques que alcanzan velocidades de más de 25 nudos, que pueden permanecer semanas sumergidos y que además pueden almacenar grandes cantidades de equipo en sus bodegas. De hecho, las armadas de Estados Unidos, Francia y el Reino Unido solo tienen submarinos que usan este sistema de propulsión.

En los submarinos se han usado reactores de agua a presión, de agua en ebullición o de sales fundidas. Para reducir el peso del combustible, se usa uranio con altos grados de preparación (del 30 al 40% en los rusos o del 96% en los estadounidenses). Estos reactores tienen la ventaja de que no es necesario (aunque sí posible) convertir el vapor generado por el calor en electricidad, sino que puede usarse directamente en una turbina que mueve las hélices del buque, mejorando mucho el rendimiento.

Se han construido muchos tipos de buques militares con motores nucleares:

• Cruceros. Como el USS Long Beach (CGN-9), con dos reactores nucleares integrados tipo C1W.
• Destructores. Como el USS Bainbridge (CGN-25), el buque de propulsión nuclear más pequeño jamás construido, usa dos reactores nucleares integrados tipo D2G.
• Portaaviones. El más conocido es el USS Enterprise (CVN-65), construido en 1961 y aún operativo, que usa 8 reactores nucleares tipo A2W para su propulsión.
• Submarinos balísticos. Usan energía nuclear como propulsión.
• Submarinos de ataque. Como el USS Seawolf (SSN-21) de la clase Seawolf que usa un reactor nuclear integrado PWR tipo S6W. Alcanza una velocidad de 30 nudos.

China, Estados Unidos de América, Francia, Reino Unido y Rusia tienen buques de propulsión nuclear.

Aviones de Propulsión Nuclear

Tanto Estados Unidos como la Unión Soviética consideraron crear una flota de aviones de propulsión nuclear. La idea era mantenerlos volando de forma permanente cerca de objetivos preestablecidos. Con el desarrollo de los misiles balísticos intercontinentales (ICBM) a finales de los años 1950, que eran más rápidos y baratos, no necesitaban pilotos y eran casi invulnerables, todos estos proyectos fueron abandonados.

Los proyectos experimentales fueron:

• Convair X-6. Proyecto estadounidense basado en un bombardero B-36. Tuvo un prototipo (el NB-36H) que realizó 47 vuelos de prueba de 1955 a 1957, año en que se abandonó el proyecto. Se usó un reactor de fisión de 3 MW refrigerado con aire que solo funcionó para probar los blindajes, nunca para propulsar el avión.
• Tupolev Tu-119. Proyecto soviético basado en un bombardero Tupolev Tu-95. Tampoco pasó de la etapa de pruebas.

Propulsión Nuclear Civil

La energía atómica se usa desde los años 1950 para dar impulso (propulsar) a diferentes sistemas, desde submarinos hasta naves espaciales.

Buques Nucleares Civiles

Después del desarrollo de los buques de propulsión nuclear para uso militar, pronto se hizo evidente que sus características podían aplicarse a la navegación civil. Se han construido cargueros y rompehielos que usan reactores nucleares como propulsión.

El primer buque nuclear de carga y pasajeros fue el NS Savannah, botado en 1962. Solo se construyeron otros tres buques de carga y pasajeros: El Mutsu japonés, el Otto Hahn alemán y el Sevmorput ruso. El Sevmorput, botado en 1988 y equipado con un reactor nuclear tipo KLT-40 de 135 MW, sigue activo hoy en día navegando la ruta del mar del norte.

Propulsión Aeroespacial

Aunque hay varias opciones para usar la energía nuclear para propulsar cohetes espaciales, solo algunas han alcanzado niveles de diseño avanzados.

El cohete termonuclear, por ejemplo, usa hidrógeno recalentado en un reactor nuclear de alta temperatura, logrando un impulso al menos dos veces superior al de los cohetes químicos. Este tipo de cohetes se probó por primera vez en 1959 (el Kiwi 1), dentro del Proyecto NERVA, cancelado en 1972. En 1990, el proyecto se relanzó bajo las siglas SNTP (Space Nuclear Thermal Propulsion) dentro del proyecto para un viaje tripulado a Marte en 2019. En 2003, comenzó con el nombre de Proyecto Prometeo. Otra posibilidad para la propulsión nuclear de cohetes espaciales es usar un reactor nuclear que alimente un propulsor iónico (Nuclear Electric Xenon Ion System o NEXIS).

El Proyecto Orión fue una idea de Stanisław Ulam en 1947, que comenzó en 1958 en la empresa General Atomics. Su propósito era realizar viajes interplanetarios de forma económica a una velocidad del 10% de la velocidad de la luz. Para ello, usaba un método llamado propulsión nuclear pulsada. El proyecto fue abandonado en 1963, pero el mismo diseño se ha usado como base en el Proyecto Daedalus británico con motor de fusión, el Proyecto Longshot estadounidense con motor de fisión acoplado a un motor de fusión inercial o el Proyecto Medusa.

También se ha propuesto el uso del GTR como fuente para un cohete de radioisótopos.

Automóvil Nuclear

La única propuesta conocida es el diseño conceptual lanzado por Ford en 1958: el Ford Nucleon. Nunca se construyó un modelo funcional. Su diseño proponía el uso de un pequeño reactor de fisión que podría proporcionar una autonomía de más de 8000 km. Un prototipo del coche se conserva en el museo Henry Ford.

Una opción, incluida en las alternativas al petróleo, es el uso del hidrógeno en células de combustible como combustible para vehículos de hidrógeno. La producción de hidrógeno requiere grandes cantidades de energía. La energía nuclear podría usarse como fuente de energía, en cuyo caso el hidrógeno producido podría clasificarse como hidrógeno verde al ser la energía atómica una fuente de energía de bajas emisiones de carbono.

Generación de Electricidad

Probablemente, la aplicación práctica más conocida de la energía nuclear es la generación de energía eléctrica para uso civil, especialmente mediante la fisión de uranio enriquecido. Para ello se usan reactores donde se hace fisionar o fusionar un combustible. El funcionamiento básico de estas instalaciones industriales es similar a cualquier otra central térmica, pero tienen características especiales en comparación con las que usan combustibles fósiles:

• Se necesitan medidas de seguridad y control mucho más estrictas. En el caso de los reactores de cuarta generación, estas medidas podrían ser menores, mientras que en la fusión se espera que no sean necesarias.
• La cantidad de combustible necesaria anualmente en estas instalaciones es mucho menor que la que necesitan las térmicas convencionales.
• Las emisiones directas de CO₂ y NO_x en la generación de electricidad, que son los principales gases de efecto invernadero de origen humano, son nulas. Sin embargo, indirectamente, en procesos secundarios como la obtención de mineral y la construcción de instalaciones, sí se producen emisiones.

Generación a partir de la Fisión

La investigación en energía nuclear se centró inicialmente en sus aplicaciones militares. Sin embargo, las aplicaciones civiles de la fisión nuclear, especialmente en la generación de energía eléctrica, también se consideraron de gran interés. Así, el 20 de diciembre de 1951 fue el primer día que se logró generar electricidad con un reactor nuclear (en el reactor estadounidense EBR-I, con una potencia de unos 100 kW). Pero no fue hasta 1954 cuando se conectó a la red eléctrica una central nuclear (fue la central nuclear soviética Obninsk, generando 5 MW con solo un 17% de rendimiento térmico). El primer reactor de fisión comercial fue el Calder Hall en Sellafield, que se conectó a la red eléctrica en 1956. El 25 de marzo de 1957 se creó la Comunidad Europea de la Energía Atómica (EURATOM), el mismo día que se creó la Comunidad Económica Europea, entre Bélgica, Francia, Alemania, Italia, Luxemburgo y los Países Bajos. Ese mismo año se creó el Organismo Internacional de Energía Atómica (OIEA). Ambos organismos tienen la misión, entre otras, de impulsar el uso pacífico de la energía nuclear.

Su desarrollo en todo el mundo experimentó un gran crecimiento a partir de ese momento, especialmente en Francia y Japón, donde la crisis del petróleo de 1973 influyó decisivamente, ya que su dependencia del petróleo para generar electricidad era muy alta. En 1979, el accidente de Three Mile Island provocó un aumento considerable en las medidas de control y seguridad en las centrales, pero no detuvo el aumento de capacidad instalada. Sin embargo, en 1986, el accidente de Chernóbil, en un reactor RBMK de diseño soviético que no cumplía los requisitos de seguridad occidentales, frenó drásticamente ese crecimiento.

En octubre de 2007, existían 439 centrales nucleares en todo el mundo que generaron 2,7 millones de MWh en 2006. La potencia instalada en 2007 fue de 370.721 MWe. En marzo de 2008, había 35 centrales en construcción, planes para construir 91 centrales nuevas (99.095 MWe) y otras 228 propuestas (198.995 MWe). Aunque solo 30 países en el mundo tienen centrales nucleares, aproximadamente el 15% de la energía eléctrica generada en el mundo proviene de la energía nuclear.

La mayoría de los reactores son de los llamados de agua ligera (LWR por sus siglas en inglés), que usan agua muy purificada como moderador. En estos reactores, el combustible es uranio enriquecido ligeramente (entre el 3% y el 5%).

Más tarde, se propuso añadir el plutonio fisible generado () como combustible extra en estos reactores de fisión, aumentando significativamente la eficiencia del combustible nuclear y reduciendo así uno de los problemas del combustible gastado. Esta posibilidad incluso llevó al uso del plutonio de dispositivos militares desmantelados. Así se desarrolló el combustible MOX, al que se añade un porcentaje (entre 3% y 10% en masa) de este plutonio a uranio empobrecido. Este combustible se usa actualmente como parte del combustible convencional (de uranio enriquecido). También se ha probado en algunos reactores un combustible mezcla de torio y plutonio, que genera menos elementos transuránicos.

Otros reactores usan agua pesada como moderador. En estos reactores se puede usar uranio natural, es decir, sin enriquecer, y además se produce una cantidad considerable de tritio por activación neutrónica. Se espera que este tritio pueda usarse en futuras plantas de fusión.

Otros proyectos de fisión, que aún no han superado la fase de experimentación, buscan diseñar reactores que puedan generar electricidad a partir de otros isótopos, principalmente el y el .

Tipos de Reactores

La diferencia principal entre los distintos diseños de reactores nucleares de fisión es el combustible que usan. Esto influye en el tipo de moderador y refrigerante empleados. De todas las combinaciones posibles, solo algunas son técnicamente viables. Pero solo unas pocas se han usado hasta ahora en reactores comerciales para generar electricidad.

Tipos de reactores nucleares de fisión comerciales (neutrones térmicos) Combustible Moderador Refrigerante Uranio natural Grafito Aire CO2 H2O (agua ligera) D2O (agua pesada) D2O (agua pesada) Compuestos orgánicos H2O (agua ligera) D2O (agua pesada) Gas Uranio enriquecido Grafito Aire CO2 H2O (agua ligera) D2}O (agua pesada) Sodio D2O (agua pesada) Compuestos orgánicos H2O (agua ligera) D2O (agua pesada) Gas H2O (agua ligera) H2O (agua ligera)

El único isótopo natural que puede fisionar con neutrones térmicos es el , que se encuentra en una proporción del 0.7% en peso en el uranio natural. El resto es , considerado fértil, ya que, aunque puede fisionar con neutrones rápidos, por activación con neutrones se convierte en , que sí es fisible mediante neutrones térmicos.

Los reactores de fisión comerciales, tanto de primera, segunda o tercera generación, usan uranio con diferentes grados de enriquecimiento, desde uranio natural hasta uranio ligeramente enriquecido (por debajo del 6%). Además, en aquellos que usan uranio enriquecido, la configuración del núcleo del reactor utiliza diferentes grados de enriquecimiento, con uranio más enriquecido en el centro y menos hacia el exterior. Esta configuración logra dos objetivos: disminuir los neutrones que se escapan y aumentar la cantidad de que se puede usar. En los reactores comerciales, se fisionan estos átomos fisibles con neutrones térmicos al máximo posible, ya que se obtienen mayores beneficios cuanto más se aprovecha el combustible.

Otro isótopo considerado fértil con neutrones térmicos es el torio (elemento natural, compuesto en su mayoría por el isótopo ), que por activación produce , fisible con neutrones térmicos y rápidos.

Estos tres isótopos son los que producen fisiones exoérgicas, es decir, generan más energía de la necesaria para producirlas, con neutrones térmicos. Los demás elementos (con Z<92) solo fisionan con neutrones rápidos. Así, el , por ejemplo, puede fisionarse con neutrones de energías superiores a 1,1 MeV.

Aunque hay varias formas de clasificar los reactores nucleares, la más usada, y con la que se nombran los distintos tipos de reactores de fisión, es por la combinación moderador/refrigerante utilizada. Estas son las denominaciones de los reactores comerciales de neutrones térmicos usados actualmente (de segunda generación), junto a su número en el mundo (entre paréntesis) y sus características principales:

• PWR (VVER en ruso). (264). Uranio enriquecido, moderador y refrigerante agua ligera.
• BWR. (94). Uranio enriquecido, moderador y refrigerante agua ligera.
• CANDU. (43). Uranio natural, moderador y refrigerante agua pesada.
• AGR. (18). Usa uranio enriquecido como combustible, moderador grafito, refrigerante CO₂.
• RBMK. (12). Uranio natural o enriquecido, moderador grafito, refrigerante agua ligera.
• Otros. 4 reactores rusos que usan uranio enriquecido, moderador grafito y refrigerante agua ligera.

Los diseños de reactores que usan neutrones rápidos, y por lo tanto pueden usar como combustible , o entre otros, no necesitan moderador para funcionar. Por eso, es difícil usar los mismos materiales que se usan en los térmicos como refrigerantes, ya que a menudo también actúan como moderador. Todos los reactores de este tipo hasta ahora han usado metales líquidos como refrigerante (mercurio, plutonio, yoduro potásico, plomo, bismuto, sodio...). Cuando estos reactores además logran producir más material fisible del que consumen, se les llama reactores reproductores rápidos. Actualmente existen cuatro FBR, tres en parada y solo uno en operación comercial.

Los diseños de reactores que aprovechan las lecciones aprendidas en medio siglo (aproximadamente una docena de diseños distintos) se llaman de tercera generación o reactores avanzados. Solo algunos se han puesto en marcha en Japón y se están construyendo otros. En general, son evoluciones de los reactores de segunda generación (como el BWR avanzado o ABWR o el PWR avanzado: el EPR o el AP1000), aunque existen algunos diseños completamente nuevos (como el PBMR que usa helio como refrigerante y combustible TRISO que contiene el moderador de grafito en su composición).

Los reactores de cuarta generación no estarán listos al menos hasta 2020. En general, son diseños que buscan, además de niveles de seguridad superiores a las plantas de fisión anteriores, que los únicos residuos de alta actividad tengan vidas muy cortas, consumiendo los elementos de vida larga. A este grupo pertenecen, por ejemplo, los reactores asistidos por acelerador (ADS). En general, estos reactores se basarán en neutrones rápidos.

Existen otros diseños, basados principalmente en los descritos, para generar energía en lugares remotos, como el reactor flotante ruso KLT-40S o el microrreactor nuclear de 200 kW de Toshiba.

Seguridad

La seguridad nuclear en una central nuclear implica prever los riesgos de su actividad para analizarlos y reducirlos. Los sistemas diseñados para eliminar o minimizar estos riesgos se llaman sistemas de protección y control. En una central nuclear de uso civil, se usa un enfoque llamado defensa en profundidad. Este enfoque sigue un diseño de múltiples barreras para lograr este propósito. Una primera aproximación a las distintas barreras usadas (cada una de ellas múltiple), de fuera hacia adentro, podría ser:

1. Autoridad reguladora: Es el organismo encargado de asegurar que el resto de barreras funcionen perfectamente. No debe tener vínculos con intereses políticos ni empresariales, y sus decisiones son obligatorias.
2. Normas y procedimientos: Todas las acciones deben seguir procedimientos y normas escritas. Además, debe haber un control de calidad y deben ser supervisadas por la autoridad reguladora.
3. Primera barrera física (sistemas pasivos): Sistemas de protección intrínsecos basados en las leyes de la Física que dificultan la aparición de fallos en el sistema del reactor. Por ejemplo, el uso de sistemas diseñados con reactividad negativa o el uso de edificios de contención.
4. Segunda barrera física (sistemas activos): Reducción de la frecuencia con la que pueden ocurrir los fallos. Se basa en la redundancia, separación o diversidad de sistemas de seguridad para un mismo fin. Por ejemplo, las válvulas de control que sellan los circuitos.
5. Tercera barrera física: Sistemas que minimizan los efectos de eventos externos a la propia central. Como los amortiguadores que impiden una ruptura en caso de sismo.
6. Barrera técnica: Todas las instalaciones se construyen en lugares considerados muy seguros (baja probabilidad de sismo o vulcanismo) y con poca población.

Además, debe estar previsto qué hacer si todos o varios de esos niveles fallaran por cualquier circunstancia. Todos, los trabajadores y otras personas que vivan cerca, deben tener la información y formación necesarias. Deben existir planes de emergencia completamente operativos. Para ello, es necesario que se prueben periódicamente mediante simulacros. Cada central nuclear tiene dos planes de emergencia: uno interno y uno externo. El plan de emergencia externo incluye, entre otras medidas, planes de evacuación de la población cercana por si todo lo demás fallara.

Aunque los niveles de seguridad de los reactores de tercera generación han aumentado considerablemente, no se espera que cambie la estrategia de defensa en profundidad. Por su parte, los diseños de los futuros reactores de cuarta generación se están centrando en que todas las barreras de seguridad sean infalibles, basándose lo más posible en sistemas pasivos y minimizando los activos. Del mismo modo, probablemente la estrategia seguida será la de defensa en profundidad.

Cuando una parte de cualquiera de esos niveles, compuestos a su vez por múltiples sistemas y barreras, falla (por defecto de fabricación, desgaste o cualquier otro motivo), se produce un aviso a los controladores, que a su vez lo comunican a los inspectores residentes en la central nuclear. Si los inspectores consideran que el fallo puede afectar el nivel de seguridad, elevan el aviso al organismo regulador (en España, el CSN). A estos avisos se les llama sucesos notificables. En algunos casos, cuando el fallo puede hacer que algún parámetro de funcionamiento de la central supere las Especificaciones Técnicas de Funcionamiento (ETF) definidas en el diseño de la central (con márgenes de seguridad), se produce una parada automática de la reacción en cadena llamada SCRAM. En otros casos, la reparación de esa parte (una válvula, un aspersor, una compuerta, etc.) puede realizarse sin detener el funcionamiento de la central.

Si cualquiera de las barreras falla, aumenta la probabilidad de un incidente. Si varias barreras fallan en cualquiera de los niveles, puede finalmente producirse la ruptura de ese nivel. Si varios de los niveles fallan, puede producirse un accidente nuclear, que puede tener diferentes grados de gravedad. Esos grados de gravedad se organizaron en la Escala Internacional de Accidentes Nucleares (INES) por el OIEA y la AEN, comenzando en el 0 (sin importancia para la seguridad) y terminando en el 7 (accidente grave).

A lo largo de la historia han ocurrido varios accidentes nucleares. El de mayor gravedad fue el accidente de Chernóbil, ocurrido el 26 de noviembre de 1986 en la central nuclear de Chernóbil. En este accidente, varias barreras fallaron: falta de independencia gubernamental, un diseño de reactor con reactividad positiva, ausencia de edificio de contención, falta de planes de emergencia, etc. Por ello, el accidente fue clasificado como nivel 7 en la Escala Internacional de Accidentes Nucleares (INES).

El accidente de mayor gravedad ocurrido en España fue el accidente nuclear de Vandellós I en la central nuclear de Vandellós I el 19 de octubre de 1989. En ese momento, no se usaba la escala INES en España, pero después de su implementación, fue clasificado como un incidente de grado 3, es decir, como "incidente importante", sin llegar a ser considerado un accidente grave. Sin embargo, el suceso llevó al cierre definitivo del reactor afectado debido a la gravedad de los daños.

Generación a partir de la Fusión

Al igual que la fisión, después de su uso exclusivamente militar, se propuso usar la energía nuclear liberada en las reacciones de fusión para aplicaciones civiles. En particular, los grandes proyectos de investigación se han dirigido al desarrollo de reactores de fusión para producir electricidad. El primer diseño de reactor nuclear se patentó en 1946, aunque hasta 1955 no se definieron las condiciones mínimas que el combustible (isótopos ligeros, generalmente de hidrógeno) debía alcanzar, llamadas criterios de Lawson, para lograr una reacción de fusión continua. Esas condiciones se lograron por primera vez de forma casi estacionaria en 1968.

La fusión se presenta como una opción más eficiente (en términos de energía producida por masa de combustible), segura y limpia que la fisión, útil a largo plazo. Sin embargo, a pesar de los muchos avances, la aplicación comercial de la fusión nuclear para generar electricidad aún no está disponible ni se espera que lo esté en las próximas décadas. La principal dificultad, entre muchas otras de diseño y materiales, es cómo confinar la materia en estado de plasma hasta alcanzar las condiciones de los criterios de Lawson, ya que no hay materiales capaces de soportar las temperaturas necesarias. Principalmente, se conocen dos alternativas para alcanzar los criterios de Lawson: el confinamiento magnético y el confinamiento inercial.

Actualmente, el proyecto ITER, resultado de la colaboración internacional, es el más avanzado. Su objetivo es demostrar la viabilidad científica de un reactor de fusión, no la generación de energía eléctrica. La Unión Europea está desarrollando el diseño de DEMO, un reactor nuclear que seguirá a ITER y que tendrá como objetivo demostrar la viabilidad tecnológica de la fusión, sirviendo como prototipo de una central nuclear de fusión.

Aunque ya se realizan reacciones de fusión de forma controlada en varios laboratorios, actualmente los proyectos se encuentran en la fase de estudio de viabilidad técnica en centrales de producción eléctrica como el ITER o el NIF. Estos proyectos buscan demostrar que se puede obtener más energía liberada en una reacción nuclear controlada de la necesaria para iniciarla, pero no tienen como objetivo demostrar la producción de energía eléctrica a partir de esta energía liberada. El proyecto ITER, ubicado en Francia y fruto de la colaboración internacional, se basa en un reactor de confinamiento magnético de tipo tokamak. Una vez demostrada la viabilidad de lograr un reactor de fusión que pueda funcionar de forma continua durante largos períodos, se construirán prototipos para demostrar su viabilidad económica. La Unión Europea está diseñando el reactor DEMO, un tokamak que sucederá al ITER como instalación de referencia en confinamiento magnético y que sí tendrá como objetivo demostrar la viabilidad tecnológica de la producción de energía a partir de la fusión nuclear, sirviendo como un primer prototipo de central nuclear de fusión.

En cuanto al confinamiento inercial, la principal referencia es el proyecto NIF del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, en los Estados Unidos. Este último, el 5 de diciembre de 2022, logró el objetivo de obtener una fusión nuclear positiva, es decir, las reacciones de fusión liberaron más energía que la suministrada al combustible, sin considerar las ineficiencias del láser y otras pérdidas.

Tipos de Reactores

Existen dos grandes grupos, diferenciados por el método usado para alcanzar las condiciones de tiempo, densidad y temperatura necesarias para lograr una fusión controlada continua:

• Fusión mediante confinamiento magnético.
• Fusión mediante confinamiento inercial.

En el primer caso, en un recipiente con alto vacío, se eleva la temperatura de una mezcla de deuterio-tritio usando campos electromagnéticos hasta convertirla en plasma.

También con campos electromagnéticos, el plasma se confina en una región lo más pequeña posible y alejada de las paredes del recipiente, aumentando continuamente la densidad y la temperatura.

A este tipo de fusión corresponden los diseños del Tokamak, como el futuro ITER, o del Stellarator, como el TJ-II español.

En el segundo caso, un haz de fotones o partículas cargadas (electrones o protones) muy energético e intenso incide sobre un blanco de combustible (actualmente deuterio-tritio). Este haz puede enfocarse directamente sobre el blanco, o indirectamente sobre un dispositivo llamado holraum, hecho de un material de alto Z, que a su vez genera un campo muy intenso de rayos X enfocado sobre el blanco.

Hasta la década de 1970, no se desarrollaron láseres con la potencia necesaria para iniciar la reacción.

Actualmente se investiga en varios centros, pero a nivel nacional. Esto se debe a que el mecanismo empleado produce microexplosiones termonucleares, de modo que tanto el software de cálculos y simulaciones como los resultados obtenidos pueden usarse directamente en el desarrollo de dispositivos termonucleares. Por este motivo, las instalaciones construidas hasta ahora, además de buscar la aplicación civil para generar electricidad, tienen un componente importante para la defensa, ya que permiten, tras la prohibición de ensayos nucleares en superficie, realizar pruebas a pequeña escala.

Aunque existen múltiples diseños con láseres y aceleradores de partículas, los proyectos más importantes hasta ahora son el NIF de Estados Unidos y el LMJ francés, ambos usando láseres.

Seguridad

Aunque la misma filosofía de seguridad de la fisión puede aplicarse a los reactores de fusión, esta se ha planteado como una opción no contaminante e intrínsecamente segura. Desde el punto de vista de la seguridad, dado que los reactores diseñados necesitan un aporte externo de energía y combustible, si ocurriera un incidente que causara el fallo de la máquina, la reacción se detendría, haciendo imposible una reacción en cadena descontrolada.

El residuo principal de la reacción de fusión deuterio-tritio sería el helio, que es un gas noble y no interactúa con nada, incluido el cuerpo humano. Sin embargo, las reacciones nucleares de fusión liberan neutrones muy energéticos. Esto implica la producción de materiales radiactivos por activación neutrónica. Además, en un ciclo deuterio-tritio, una parte del propio combustible también es radiactiva (el tritio). Para minimizar los efectos, por lo tanto:

• Se debe reducir al máximo la cantidad de material radiactivo usado y el generado en la instalación.
• Se debe anular, en lo posible, el riesgo de manipular los materiales radiactivos generados, ya sea como combustible nuevo o reciclado, o como residuos radiactivos.
• Se deben definir las mejores formas de gestionar esos materiales.

Para ello, se investiga el uso de materiales de baja activación, empleando aleaciones que no son comunes en otras aplicaciones. Esto podría disminuir la cantidad de residuos radiactivos generados. Además, en caso de un incidente donde parte de los materiales se fundieran por las altas temperaturas, la cantidad de material radiactivo liberado también sería menor. La estrategia de diseño se centra en lograr que todos los radioisótopos generados tengan un semiperiodo corto (menos de 10 años). Si no se lograra, las estrategias a seguir serían idénticas a las estudiadas para los reactores de fisión.

Hasta la década de 1990, este problema no se había considerado realmente, por lo que se pensaba que los materiales válidos para la fusión eran los aceros austeníticos y ferríticos/martensíticos. Las investigaciones se habían centrado en la gestión de residuos, dejando de lado el estudio de posibles incidentes. A partir de los 90, se planteó que debían considerarse varios problemas en la optimización de los materiales de baja activación, destacando principalmente la seguridad frente a incidentes, además de la gestión de residuos. A partir de los aceros convencionales propuestos para fusión, se propusieron versiones de baja activación, sustituyendo elementos que producían alta radiactividad por otros metalúrgicamente equivalentes y de baja actividad inducida.

Las soluciones adoptadas en la fusión inercial o magnética no tienen por qué ser iguales. Así, se han desarrollado aleaciones de vanadio, titanio y cromo que se comportan mejor en la fusión inercial que en la magnética. Se sabe que los materiales cerámicos tienen mejor comportamiento que los aceros en ambos tipos de fusión.

Generación de Calor y Electricidad a partir de otras Reacciones Nucleares

Un método muy usado en aplicaciones que requieren poca corriente eléctrica y larga duración es el uso de unidades de calor mediante radioisótopos acopladas a termopares que proporcionan corriente eléctrica, llamados generadores termoeléctricos de radioisótopos (GTR).

En este caso, se aprovecha la radiactividad emitida por los núcleos de algunos isótopos. Los isótopos más interesantes para esta aplicación son los que emiten partículas alfa (como el ²⁴¹Am o el ²¹⁰Po), ya que las radiaciones emitidas se aprovechan de forma más eficiente y su manejo es más sencillo. Sin embargo, también se han usado emisores beta, como el ⁹⁰Sr.

Estos generadores suelen durar varias décadas y son muy útiles en aplicaciones donde otras soluciones no funcionan. Por ejemplo, en zonas donde es difícil el mantenimiento o reemplazo de baterías y no hay suficiente luz solar o viento. Se han usado en faros cerca del polo norte en la antigua Unión Soviética y se usan frecuentemente en sondas espaciales. Una de sus aplicaciones más curiosas es su uso en marcapasos.

En algunas sondas espaciales que deben permanecer a muy baja temperatura, se usa simplemente su capacidad de generar calor, sin generar electricidad.

El 15 de octubre de 1997, se lanzó la misión Cassini-Huygens con destino a Saturno y Titán, que llevaba uno de estos dispositivos.

Seguridad

En estos dispositivos, la seguridad se basa principalmente en dos sistemas:

• Asegurar su integridad mediante vigilancia continua.
• Lograr que el material radiactivo usado sea muy inaccesible, mediante protecciones, sellos o incluso usando composiciones cerámicas que no reaccionan fácilmente con otros elementos.

En el caso de los GTR situados en zonas de difícil acceso, como los faros cerca de los polos, se suponía que la propia inaccesibilidad de las zonas garantizaba su integridad. Sin embargo, esto no ha impedido que ocurrieran varios incidentes.

En el caso de los usados en satélites espaciales, la seguridad de los materiales radiactivos se asegura manteniendo una vigilancia continua en las instalaciones, tanto en la construcción como en el montaje de los satélites. Una vez lanzados al espacio, es imposible su mal uso. Sin embargo, en algunas ocasiones se han usado GTR en satélites en órbita terrestre. Cuando esa órbita se vuelve inestable, es posible que el satélite caiga de nuevo, fundiéndose en su mayor parte al reentrar. Este, junto con un posible incidente en el lanzamiento, son los principales problemas de seguridad en este caso. En total, se han producido 6 incidentes conocidos de este tipo (el último en 1996 en una sonda rusa). Para evitar la dispersión del material radiactivo que contienen, se fabrican con materiales cerámicos (insolubles y resistentes al calor), rodeados de una capa de iridio, otra de bloques de grafito de alta resistencia y un gel que les da resistencia ante una posible reentrada en la atmósfera.

Para los GTR usados como marcapasos, el principal problema es la pérdida de información sobre los pacientes en los que se han usado, lo que impide su seguimiento adecuado. Por este motivo, existe la posibilidad de que el paciente, tras su fallecimiento, sea incinerado, incinerando con ello el propio dispositivo y su material radiactivo.

Las fuentes radiactivas de los GTR sobre las que se ha perdido el control (principalmente tras la caída de la URSS) son motivo de preocupación por su posible uso en situaciones peligrosas, y por ello se realizan grandes esfuerzos internacionales para recuperarlas y ponerlas bajo control.

Tratamiento de Residuos Nucleares

En general, cualquier aplicación industrial genera residuos. Todas las formas de generación de energía nuclear también los generan. Tanto los reactores nucleares de fisión o fusión (cuando entren en funcionamiento) como los GTR generan residuos convencionales que se llevan a vertederos o instalaciones de reciclaje, residuos tóxicos convencionales (pilas, líquido refrigerante de los transformadores, etc.) y residuos radiactivos. El tratamiento de todos ellos, excepto los residuos radiactivos, es idéntico al que se da a los residuos del mismo tipo generados en otros lugares (instalaciones industriales, ciudades, etc.).

El tratamiento de los residuos radiactivos es diferente. Para ellos se desarrolló una regulación específica, gestionándose de formas distintas según el tipo de radiactividad que emiten y el semiperiodo que poseen. Esta regulación abarca todos los residuos radiactivos, ya provengan de instalaciones de generación de electricidad, de instalaciones industriales o de centros médicos.

Se han desarrollado diferentes estrategias para tratar los distintos residuos que provienen de las instalaciones o dispositivos generadores de energía nuclear:

• Baja y media actividad. Son residuos con vida corta, poca radiactividad y que emiten radiaciones beta o gamma (pueden contener hasta un máximo de 4000 Bq g^-1 de emisores alfa de semiperiodo largo). Suelen ser materiales usados en las operaciones normales de las centrales, como guantes, trapos, plásticos, etc. Generalmente se prensan y secan (si es necesario) para reducir su volumen, se hormigonan (fijan) y se embidonan para ser almacenados durante 300 o 500 años, según el país, en almacenamientos controlados. En España, este almacenamiento se encuentra en la provincia de Córdoba (El Cabril).
• Alta actividad. Estos residuos tienen un semiperiodo largo, alta actividad y contienen emisores de radiaciones alfa (si son de semiperiodo largo, solo si superan concentraciones de actividad de 4000 Bq g^-1). Se generan en mucho menor volumen, pero son muy dañinos inmediatamente después de ser generados. Generalmente, aunque no son los únicos, se trata de las propias barras de combustible de los reactores de fisión ya usadas. Para ellos se han desarrollado diversas estrategias:

1. Almacenamiento temporal: En las piscinas de las propias centrales (a veces llamados ATI), durante la vida de la central (normalmente 40 años), o en almacenamientos construidos específicamente. En España, el ATC aún está en proyecto y se ubicará en Villar de Cañas (Cuenca), lo que ha generado descontento por falta de consenso.
2. Reprocesamiento: En este proceso se realiza una separación físico-química de los diferentes elementos, separando aquellos isótopos que pueden usarse en otras aplicaciones, civiles o militares (plutonio, uranio, cobalto y cesio, entre otros). Es la opción más parecida al reciclado. Sin embargo, no todos los elementos reciclados son totalmente reutilizables, como el neptunio o el americio. Para estos, en un volumen mucho menor que el inicial, sigue siendo necesario el uso de otras opciones como el almacenamiento geológico profundo.
3. Almacenamiento Geológico Profundo (AGP): Este proceso consiste en estabilizar las barras de combustible gastadas en contenedores resistentes a tratamientos muy severos, que luego se introducen en lugares similares a minas, ya existentes o construidas para este fin. Suelen estar en formaciones geológicas que se sabe que han sido estables durante millones de años. Las más comunes son calizas, graníticas o salinas. Los expertos estiman que estos AGP deberían poder preservar los residuos intactos durante los miles de años que sigan siendo tóxicos sin afectar a las personas en la superficie. Su principal desventaja es que sería muy difícil o imposible recuperar estos residuos para un uso útil si futuras técnicas pudieran aprovecharlos eficientemente.
4. Transmutación en centrales nucleares de nueva generación (Sistemas Asistidos por Aceleradores o en reactores rápidos): Estos sistemas usan torio como combustible adicional y transforman los desechos nucleares en un nuevo ciclo de fisión asistida. Podrían ser una alternativa a la dependencia del petróleo, aunque deberán superar el rechazo de la población. El primer proyecto se construirá alrededor de 2014 (Myrrha). Esta técnica se considera aceptable para aquellos radioisótopos de semiperiodo largo para los que aún no se ha encontrado ninguna aplicación. Esos isótopos más problemáticos son los transuránicos como el curio, el neptunio o el americio. Sin embargo, para usar esta técnica, se necesitan métodos adicionales, como el reprocesado previo.

Para gestionar los residuos radiactivos, suele existir en cada país un organismo creado exclusivamente para ello. En España se creó la Empresa Nacional de Residuos Radiactivos, que gestiona los residuos radiactivos de todo tipo generados tanto en las centrales nucleares como en el resto de instalaciones nucleares o radiactivas.

Regulación de la Energía Nuclear

La regulación nuclear se puede dividir en cuatro grandes grupos:

1. Funciones de los reguladores nacionales.
2. Residuos.
3. Seguridad.
4. Protección radiológica.

Las bases científicas de toda la regulación internacional se fundamentan en estudios y recopilaciones realizadas por la CIPR, el UNSCEAR o el NAS/BEIR americano. Además de estos, existen agencias de investigación y desarrollo en seguridad, como la AEN o el EPRI. A partir de todas ellas, dos organismos internacionales desarrollan las bases para la legislación: el OIEA (a nivel internacional) y EURATOM (en Europa).

También existen organismos nacionales que publican documentos sobre cada campo, que sirven de guía a otros países. Así ocurre, por ejemplo, con la NCRP, la NRC o la EPA estadounidenses, la HPA inglesa (antes NRPB) o el CEA francés.

Además de estas regulaciones específicas, existen otras leyes y acuerdos que tienen relación con la energía nuclear. Por ejemplo, las leyes de calidad del agua o la convención OSPAR. Aunque el Protocolo de Kioto, que trata sobre las industrias que emiten gases de efecto invernadero, no menciona la energía nuclear, sí aparece en otros documentos sobre el calentamiento global causado por el ser humano. Así, en los acuerdos de Bonn de 2001, se establecieron mecanismos de compraventa de emisiones de gases de efecto invernadero y de intercambio de tecnologías, excluyendo explícitamente la energía nuclear. De este modo, no se pueden reducir las cuotas de emisión de los países industrializados vendiendo tecnología nuclear a países menos desarrollados, ni se pueden vender las cuotas de emisiones a países que basan sus bajas emisiones en la energía nuclear. El IPCC, sin embargo, sí recomienda en su cuarto informe el uso de la energía nuclear como una de las únicas formas (junto con las energías renovables y la eficiencia energética) de reducir la emisión de gases de efecto invernadero.

Véase también

En inglés: Nuclear power Facts for Kids