La energía nuclear

Trabajo física

¿Qué es la energía nuclear?

La energía nuclear o atómica es la que se libera espontánea o artificialmente 
en las reacciones nucleares. Sin embargo, este término engloba otro significado
 que es el aprovechamiento de dicha energía para otros fines, tales como la 
obtención de energía eléctrica, energía térmica y energía mecánica a partir 
de reacciones atómicas, y su aplicación, bien sea con fines pacíficos o bélicos.1​
 Así, es común referirse a la energía nuclear no solo como el resultado de una
 reacción, sino como un concepto más amplio que incluye los conocimientos 
y técnicas que permiten la utilización de esta energía por parte del ser humano.

Tipos

FISIÓN:

Es el utilizado actualmente en las centrales nucleares. Cuando un átomo pesado (como por ejemplo el Uranio o el Plutonio) se divide o rompe en dos átomos más ligeros, la suma de las masas de estos últimos átomos obtenidos, más la de los neutrones desprendidos es menor que la masa del átomo original, luego se verifica la fórmula de Albert Einstein E=MC2, con lo que se desprende Energía. Para romper un átomo, se emplea un neutrón (ya que es neutro eléctricamente, y no es desviado de su trayectoria), que se lanza contra el átomo a romper, por ejemplo, Uranio. Al chocar el neutrón, el átomo de Uranio-235 se convierte en Uranio-236 durante un brevísimo espacio de tiempo, pues tiene un neutrón más que es el que ha chocado con él, siendo este último átomo sumamente inestable, dividiéndose en dos átomos diferentes y más ligeros que el Uranio-236 (por ejemplo Kriptón y Bario; o Xenon y Estroncio), desprendiendo 2 ó 3 neutrones (los neutrones desprendidos, dependen de los átomos obtenidos, nosotros tomamos como ejemplo 3 neutrones, pero puede que solo se desprendan 2. En caso de obtener Bario y Kriptón, se desprenden 3 neutrones; mientras que si se obtiene Xenon y estroncio, solo se liberan 2 neutrones), y liberando energía. Estos 3 neutrones, vuelven a chocar con otros 3 átomos de Uranio-235, liberando en total 9 neutrones, energía y otros dos átomos más ligeros, y así sucesivamente, generando de esta forma una reacción en cadena.

Como se puede comprobar, en cada reacción sucesiva, se rompen 3n-1 átomos, donde n es 1º, 2º, 3º, 4º, ., reacción. De esta forma, donde más energía se libera es al final, ya que se rompen gran cantidad de átomos, según la relación 3n-1, liberándose gran cantidad de energía.

FUSIÓN:

La fusión nuclear, está actualmente en líneas de investigación, debido a que todavía hoy no es un proceso viable, ya que se invierte más energía en el proceso para que se produzca la fusión, que la energía obtenida mediante este método.

La fusión, es un proceso natural en estrellas, produciéndose reacciones nucleares por fusión debido a la elevadísima temperatura de estas estrellas, que están compuestas principalmente por Hidrógeno y Helio. El hidrógeno, en condiciones normales de temperatura, se repele entre sí cuando intentas unirlo (fusionarlo) a otro átomo de hidrógeno, debido a su repulsión electrostática. Para vencer esta repulsión electrostática, el átomo de hidrógeno debe chocar violentamente contra otro átomo de hidrógeno, fusionándose, y dando lugar a Helio, que no es fusionable. La diferencia de masa entre el átomo obtenido y el original es mayor que en la fisión, liberándose así una gran cantidad de energía (muchísimo mayores que en la fisión). Estos choques violentos, se consiguen con una elevada temperatura, que excita los átomos de hidrógeno, y se mueven muy rápidamente, chocando unos contra otros.

La primera reacción de fusión realizada por el ser humano, tuvo origen militar, con una bomba termonuclear (o también llamada bomba-H o de Hidrógeno), que para obtener la temperatura adecuada (casi la del Sol, unos 20 millones de grados centígrados), se utilizó una bomba atómica. Esta bomba termonuclear libera grandes cantidades de energía. Las bombas termonucleares actuales, alcanzan los 60 megatones (equivalente a 60 millones de toneladas de explosivo TNT), lo cual puede arrasar todo lo que haya en un radio de 40 ó 50 Kilómetros a la redonda, eso si incluir la radiación electromagnética y la onda expansiva, así como la lluvia ácida.

Proyecto iter:

El ITER es un experimento científico a gran escala que intenta demostrar que es posible producir energía de forma comercial mediante fusión nuclear. Los participantes en el diseño conceptual de actividades del ITER eligieron esta palabra para expresar sus esperanzas comunes en que el proyecto podría conducir al desarrollo de una nueva forma de energía. El acrónimo original (International Thermonuclear Experimental Reactor, en español Reactor Termonuclear Experimental Internacional) ya no se usa. Es un proyecto de gran complejidad ideado en 1986, para demostrar la factibilidad científica y tecnológica de la fusión nuclear. El ITER se está construyendo en Cadarache (Francia) y costará 24 000 millones de euros, convirtiéndolo en el quinto proyecto más costoso de la historia, después del Programa Apolo, de la Estación Espacial Internacional, del Proyecto Manhattan y del desarrollo del sistema GPS.1​ Iter, además, significa el camino en latín, y este doble sentido refleja el rol de ITER en el perfeccionamiento de la fusión nuclear como una fuente de energía para usos pacíficos.

OBJETIVOS:

Su objetivo es probar todos los elementos necesarios para la construcción y funcionamiento de un reactor de fusión nuclear que serviría de demostración comercial, además de reunir los recursos tecnológicos y científicos de los programas de investigación desarrollados en ese entonces por la Unión Soviética, los Estados Unidos, Europa (a través de EURATOM) y Japón. El ITER cuenta con el auspicio de la IAEA, así como una forma de compartir los gastos del proyecto.

PROBLEMAS:

-La fusión como fuente de energía

La humanidad consume a día de hoy energía a un ritmo aproximado de 10 teravatios (TW), el equivalente a 10.000 grandes plantas nucleares. La cifra es en sí misma escalofriante, pero comienza a ser preocupante si nos fijamos en algunos detalles adicionales.

-Confinamiento magnético: el proyecto ITER

El campo magnético no puede ceder ni quitar energía a las partículas cargadas pero puede curvar su trayectoria, de manera que esta acaba siendo una hélice arrollada en torno a la línea de campo. Para partículas con energías de 10 keV y campos del orden de varios tesla, el radio de estas hélices es de pocos centímetros para los iones y milímetros para los electrones. Si ahora hacemos que la línea de campo se cierre sobre sí misma, en una geometría “toroidal”, conseguimos mantener las partículas atrapadas.

-Los problemas tecnológicos

Al principio de este artículo hemos explicado que el tritio, necesario para la reacción D-T, lo obtenemos en el propio reactor a partir del litio. Este trabajo lo realizará un sistema que rodea al plasma, denominado breeding blanket “manto fértil”, que será el encargado además de extraer la energía de los neutrones y de evitar que estos lleguen a alcanzar las bobinas superconductoras. El reactor comienza su operación inicial con una pequeña carga de tritio de origen externo y a medida que se producen reacciones de fusión, cada tritio fusionado da lugar a un neutrón. El neutrón colisiona con el material del manto, dando lugar a varios neutrones nuevos, de menor energía. Estos neutrones secundarios serán los que colisionen con el litio para generar de nuevo tritio. Esta multiplicación neutrónica intermedia que realizamos es imprescindible para mantener una tasa suficiente de renovación del tritio, levemente por encima del 100%.

-Los proyectos IFMIF y DEMO

ITER será un gran paso, pero es inevitable preguntarse por los pasos qué habrá que dar después de ITER, o en paralelo, para llegar a los reactores comerciales de fusión. Aparte de un programa en paralelo de Física y tecnología en los campos ya discutidos, se plantea la construcción de otro gran experimento: IFMIF (Internacional Fusion Materials Irradiation Facility), que sería una fuente intensa de neutrones de 14 MeV necesaria para realizar pruebas de materiales de baja activación.

-El papel de España en el programa de fusión

España participa, a través del CIEMAT, en el programa europeo de fusión desde los años 80 y lo hace en sus dos vertientes: los sistemas de confinamiento, con el tokamak ­TJ-I (1983-93) y el “stellarator” ­TJ-IU (1993-97), por un lado, y los materiales bajo irradiación, por otro. En 1998 entra en servicio el dispositivo TJ-II, la gran apuesta española en el campo de la fusión. TJ-II es un “stellarator”, un sistema de confinamiento de geometría toroidal pero con una filosofía de diseño diferente a la de los “tokamak”. Pese a presentar una mayor complejidad y un mayor coste de construcción que un tokamak de tamaño equivalente, los stellarators ofrecen la posibilidad de operar en estado estacionario (el tokamak es intrínsecamente pulsado) y una mayor estabilidad, lo que hace de esta configuración un candidato ideal para su uso en los futuros reactores comerciales. Existen stellarators en operación en España (1), Japón (2), Rusia (1), EEUU (1), Australia (1) y Alemania (1). Este último país está construyendo el dispositivo superconductor W7X que comenzará su operación en 2014 y será el mayor del mundo.