lunes, 18 de abril de 2016

El poder del núcleo (II) #Chernobil30



La química nuclear sería un campo limitado si solo se dedicara a estudiar los elementos radiactivos naturales. En ese sentido, un experimento que realizó Rutherford en 1919, sugirió que era posible producir radiactividad por medios artificiales. Al bombardear una muestra de nitrógeno con partículas α, además de emitirse un protón, se formó el isótopo de oxígeno-17:



Rutherford consiguió lo que los alquimistas intentaron durante siglos: convertir un elemento en otro. A diferencia de la desintegración radiactiva, este proceso, conocido como transmutación nuclear, resulta de la colisión de dos partículas. Aunque los elementos ligeros no suelen ser radiactivos, pueden adquirir esta propiedad al bombardear sus núcleos con las partículas apropiadas. Aparecen entonces dos tipos de reacciones nucleares: la fisión y la fusión.

En el proceso de fisión nuclear, un núcleo grande se divide en otros núcleos más pequeños, liberando una gran cantidad de energía debido a que el núcleo de partida es menos estable que sus productos. Esto normalmente se consigue tras un bombardeo de neutrones (01n), que es lo que ocurre en las centrales nucleares.

La primera reacción de fisión nuclear que se estudió fue la del uranio-235. Durante el proceso se forman los isótopos estroncio-90 y xenón-143, además de liberar tres neutrones que pueden estimular la fisión de estos mismos isótopos y comenzar una reacción nuclear en cadena autosuficiente. Y esta reacción en cadena es la base de la energía nuclear producida en una central.

Reacción en cadena de la fisión
nuclear del U-235


La enorme cantidad de energía (E) liberada durante la fisión del uranio es lo que Albert Einstein describió con su simple y famosa ecuación E=m•c2, donde m es la masa del átomo a fisionar y c es la velocidad de la luz (300.000.000 m/s, c2=90.000.000.000.000.000 m2/s2). Lo que vino a decir Einstein fue que una pequeña cantidad de masa (como la que tienen los átomos) produce una gran cantidad de energía. Para la fisión de un mol de uranio-235, la energía liberada sería 2,0•1013 J, una reacción demasiado exotérmica si se considera que el calor de combustión de una tonelada de carbón es de solo unos 5,0•107 J. Además, es una energía limpia pues no libera contaminantes a la atmósfera, como hacen los combustibles fósiles, únicamente el vapor de agua que salen de las torres de refrigeración.

La forma de aprovechamiento de la energía liberada por la fisión del uranio-235 en una central nuclear es, exclusivamente, la producción de calor (energía térmica), elevando la temperatura de una sustancia (agua, CO2, sodio) hasta convertirla en vapor o gas a alta presión que muevan una turbina (energía mecánica), que finalmente producen electricidad.


Esquema de una central nuclear con un reactor de agua en ebullición.


En las centrales nucleares, las reacciones en cadena se mantienen controladas dentro del reactor. Para ello, ha de disponerse de un moderador que frene la velocidad de los neutrones liberados, ya sea agua ligera (H2O), pesada (D2O) o grafito. Además, se emplean barras de cadmio o boro para absorber los neutrones y controlar la potencia del reactor. Al igual que las plantas de energía convencional que queman combustibles fósiles, las centrales nucleares  también tienen sistemas de enfriamiento muy elaborados. En ambos casos, se necesitan grandes cantidades de agua, razón por la cual la mayoría de las centrales se construyen cerca de un río. Este estricto control es lo que diferencia a una central nuclear de una bomba atómica, con la que el material radiactivo escapa al exterior con la violencia propia de la enorme energía liberada por la reacción de fisión. El uranio-235 fue el material fisionable empleado en la bomba lanzada sobre Hiroshima el 6 de agosto de 1945, mientras que en la que se hizo explotar en Nagasaki tres días después se utilizó plutonio-239. 

En las reacciones de fusión nuclear, dos átomos ligeros se combinan para dar lugar a otro más pesado, también con una liberación considerable de energía. El Sol, al igual que todas las estrellas, es un enorme reactor de fusión. Se compone principalmente de hidrógeno y helio y en su interior, donde se alcanzan cerca de 15 millones de grados centígrados, se supone que se llevan a cabo las siguientes reacciones fusión:

Reacciones de fusión que tienen
lugar en el Sol.

Las reacciones de fusión suelen llamarse reacciones termonucleares ya que se llevan a cabo solo a temperaturas muy elevadas. La energía resultante de estas reacciones es transportada a la superficie del Sol e irradiada al espacio exterior y así recibimos su luz y calor.

Esta es la base de la investigación continua para el aprovechamiento de la fusión nuclear en la producción de energía. En contraste con el proceso de fisión, parece ser una fuente de energía muy prometedora. Aunque la contaminación térmica pudiera ser un problema, la fusión tiene como ventajas que los combustibles son baratos y casi inagotables, por lo que la liberación de energía, teóricamente, no tendría límites. Casi no produce residuos pero aún está en fase experimental: conseguir estas condiciones en la Tierra es un arduo problema. El fundamento es encontrar la forma de mantener unidos a los núcleos el tiempo suficiente y a la temperatura apropiada para que se lleve a cabo la fusión.

Hoy en día, la energía nuclear nos tiene a medio camino entre el miedo y la dependencia. Rompiendo una lanza a su favor, preferiría un mundo dominado por la energía nuclear que dominado, como hoy, por el petróleo.


Por Jesús @JGilMunoz 






Esta entrada forma parte del especial de Radical Barbatilo "Chernóbil desde el núcleo" y participa en el LVII Carnaval de la Química (Ed. Lantano) albergado en el blog "La aventura de la Ciencia" de Dani Martín.

1 comentario:

  1. Continúa siendo difícil imaginar cómo una ínfimas cantidad de materia es capaz de liberar tan descomunal cantidad de energía. Para el profano en estas lides es poco más o menos que un acto de magia, propia más bien de Merlín y otros alquimicos que de la moderna ciencia. Pero es verdad que, leído aquí se nos hace más cercano y llevadero. Gracias Jesús y suerte. Hasta pronto

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