Energa nuclear

Ncleo de un reactor nuclear de sin de investigacin TRIGA.Puede apreciarse la radiacin Cherenkov, el resplandor azul.

Central nuclear de Ikata, con tres reactores de agua a presin(PWR). La refrigeracin se realiza mediante un intercambio deagua con el ocano.

La energa nuclear o energa atmica es la energa quese libera espontnea o articialmente en las reaccionesnucleares. Sin embargo, este trmino engloba otro signi-cado, el aprovechamiento de dicha energa para otros -nes, tales como la obtencin de energa elctrica, energatrmica y energa mecnica a partir de reacciones at-micas, y su aplicacin, bien sea con nes paccos oblicos.[1] As, es comn referirse a la energa nuclear nosolo como el resultado de una reaccin sino como un con-cepto ms amplio que incluye los conocimientos y tcni-cas que permiten la utilizacin de esta energa por partedel ser humano.Estas reacciones se dan en los ncleos atmicosde algunos istopos de ciertos elementos qumicos(radioistopos), siendo la ms conocida la sin deluranio-235 (235U), con la que funcionan los reactores nu-cleares, y la ms habitual en la naturaleza, en el interiorde las estrellas, la fusin del par deuterio-tritio (2H-3H).

Planta de energa nuclear Susquehanna, con dos reactores deagua en ebullicin (BWR). La refrigeracin se realiza en circuitocerrado mediante dos torres de refrigeracin que emiten vapor deagua.

Central nuclear de Lemniz (Espaa) cuya puesta en marcha fueabandonada por la moratoria nuclear.

Sin embargo, para producir este tipo de energa aprove-chando reacciones nucleares pueden ser utilizados mu-chos otros istopos de varios elementos qumicos, comoel torio-232, el plutonio-239, el estroncio-90 o el polonio-210 (232Th, 239Pu, 90Sr, 210Po; respectivamente).Existen varias disciplinas y/o tcnicas que usan de basela energa nuclear y van desde la generacin de energaelctrica en las centrales nucleares hasta las tcnicas deanlisis de datacin arqueolgica (arqueometra nuclear),la medicina nuclear usada en los hospitales, etc.

1

2 1 HISTORIA

Los sistemas ms investigados y trabajados para la obten-cin de energa aprovechable a partir de la energa nuclearde forma masiva son la sin nuclear y la fusin nuclear.La energa nuclear puede transformarse de forma descon-trolada, dando lugar al armamento nuclear; o controladaen reactores nucleares en los que se produce energa elc-trica, energa mecnica o energa trmica. Tanto los ma-teriales usados como el diseo de las instalaciones soncompletamente diferentes en cada caso.Otra tcnica, empleada principalmente en pilas de mu-cha duracin para sistemas que requieren poco consumoelctrico, es la utilizacin de generadores termoelctri-cos de radioistopos (GTR, o RTG en ingls), en los quese aprovechan los distintos modos de desintegracin pa-ra generar electricidad en sistemas de termopares a partirdel calor transferido por una fuente radiactiva.La energa desprendida en esos procesos nucleares sue-le aparecer en forma de partculas subatmicas en mo-vimiento. Esas partculas, al frenarse en la materia quelas rodea, producen energa trmica. Esta energa trmicase transforma en energa mecnica utilizando motores decombustin externa, como las turbinas de vapor. Dichaenerga mecnica puede ser empleada en el transporte,como por ejemplo en los buques nucleares.La principal caracterstica de este tipo de energa es la al-ta calidad de la energa que puede producirse por unidadde masa de material utilizado en comparacin con cual-quier otro tipo de energa conocida por el ser humano,pero sorprende la poca eciencia del proceso, ya que sedesaprovecha entre un 86% y 92% de la energa que selibera.[2]

En las reacciones nucleares se suele liberar una grandsi-ma cantidad de energa debido en parte a la masa de par-tculas involucradas en este proceso, se transforma direc-tamente en energa. Lo anterior se suele explicar basn-dose en la relacin Masa-Energa propuesta por el fsicoAlbert Einstein.

1 Historia

1.1 Las reacciones nucleares

En 1896 Henri Becquerel descubri que algunos elemen-tos qumicos emitan radiaciones.[3] Tanto l comoMarieCurie y otros estudiaron sus propiedades, descubriendoque estas radiaciones eran diferentes de los ya conocidosRayos X y que posean propiedades distintas, denominan-do a los tres tipos que consiguieron descubrir alfa, beta ygamma.Pronto se vio que todas ellas provenan del ncleo atmi-co que describi Rutherford en 1911.Con el descubrimiento del neutrino, partcula descritatericamente en 1930 por Pauli pero no detectada has-ta 1956 por Clyde Cowan y sus colaboradores, se pudo

Henri Becquerel.

explicar la radiacin beta.En 1932 James Chadwick descubri la existencia delneutrn queWolfgang Pauli haba predicho en 1930, e in-mediatamente despus Enrico Fermi descubri que cier-tas radiaciones emitidas en fenmenos no muy comunesde desintegracin eran en realidad estos neutrones.Durante los aos 1930, Enrico Fermi y sus colaborado-res bombardearon con neutrones ms de 60 elementos,entre ellos 235U, produciendo las primeras siones nu-cleares articiales. En 1938, en Alemania, Lise Meitner,Otto Hahn y Fritz Strassmann vericaron los experimen-tos de Fermi y en 1939 demostraron que parte de los pro-ductos que aparecan al llevar a cabo estos experimentoscon uranio eran ncleos de bario. Muy pronto llegaron ala conclusin de que eran resultado de la divisin de losncleos del uranio. Se haba llevado a cabo el descubri-miento de la sin.En Francia, Joliot Curie descubri que adems del bario,se emitan neutrones secundarios en esa reaccin, hacien-do factible la reaccin en cadena.Tambin en 1932 Mark Oliphant teoriz sobre la fusinde ncleos ligeros (de hidrgeno), describiendo poco des-pus Hans Bethe el funcionamiento de las estrellas basn-dose en este mecanismo.

1.2 La sin nuclear

En fsica nuclear, la sin es una reaccin nuclear, lo quesignica que tiene lugar en el ncleo atmico. La sinocurre cuando un ncleo pesado se divide en dos o msncleos pequeos, adems de algunos subproductos comoneutrones libres, fotones (generalmente rayos gamma) y

1.2 La sin nuclear 3

De izda. a dcha.: J. Robert Oppenheimer, Enrico Fermi y ErnestLawrence.

otros fragmentos del ncleo como partculas alfa (ncleosde helio) y beta (electrones y positrones de alta energa).Durante la Segunda Guerra Mundial, el Departamento deDesarrollo de Armamento de la Alemania Nazi desarro-ll un proyecto de energa nuclear (Proyecto Uranio) convistas a la produccin de un artefacto explosivo nuclear.Albert Einstein, en 1939, rm una carta al presidenteFranklin Delano Roosevelt de los Estados Unidos, escritapor Le Szilrd, en la que se prevena sobre este hecho.[4]

El 2 de diciembre de 1942, como parte del proyectoMan-hattan dirigido por J. Robert Oppenheimer, se constru-y el primer reactor del mundo hecho por el ser humano(existi un reactor natural en Oklo): el Chicago Pile-1(CP-1).Como parte del mismo programa militar, se construy unreactor mucho mayor en Hanford, destinado a la produc-cin de plutonio, y al mismo tiempo, un proyecto de enri-quecimiento de uranio en cascada. El 16 de julio de 1945fue probada la primera bomba nuclear (nombre en claveTrinity) en el desierto de Alamogordo. En esta prueba sellev a cabo una explosin equivalente a 19.000.000 de kgde TNT (19 kilotones), una potencia jams observada an-teriormente en ningn otro explosivo. Ambos proyectosdesarrollados nalizaron con la construccin de dos bom-bas, una de uranio enriquecido y una de plutonio (LittleBoy y FatMan) que fueron lanzadas sobre las ciudades ja-ponesas de Hiroshima (6 de agosto de 1945) y Nagasaki(9 de agosto de 1945) respectivamente. El 15 de agostode 1945 acab la segunda guerra mundial en el Pac-co con la rendicin de Japn. Por su parte el programade armamento nuclear alemn (liderado este por WernerHeisenberg), no alcanz su meta antes de la rendicin deAlemania el 8 de mayo de 1945.Posteriormente se llevaron a cabo programas nuclearesen la Unin Sovitica (primera prueba de una bomba desin el 29 de agosto de 1949), Francia y Gran Bretaa,comenzando la carrera armamentstica en ambos bloques

creados tras la guerra, alcanzando lmites de potencia des-tructiva nunca antes sospechada por el ser humano (cadabando poda derrotar y destruir varias veces a todos susenemigos).Ya en la dcada de 1940, el almirante Hyman Rickoverpropuso la construccin de reactores de sin no encami-nados esta vez a la fabricacin de material para bombas,sino a la generacin de electricidad. Se pens, acertada-mente, que estos reactores podran constituir un gran sus-tituto del disel en los submarinos. Se construy el primerreactor de prueba en 1953, botando el primer submarinonuclear (el USS Nautilus (SSN-571)) el 17 de enero de1955 a las 11:00. El Departamento de Defensa estadou-nidense propuso el diseo y construccin de un reactornuclear utilizable para la generacin elctrica y propul-sin en los submarinos a dos empresas distintas norteame-ricanas: General Electric y Westinghouse. Estas empre-sas desarrollaron los reactores de agua ligera tipo BWR yPWR respectivamente.Estos reactores se han utilizado para la propulsin de bu-ques, tanto de uso militar (submarinos, cruceros, portaa-viones,...) como civil (rompehielos y cargueros), dondepresentan potencia, reduccin del tamao de los motores,reduccin en el almacenamiento de combustible y auto-noma no mejorados por ninguna otra tcnica existente.Los mismos diseos de reactores de sin se trasladarona diseos comerciales para la generacin de electricidad.Los nicos cambios producidos en el diseo con el trans-curso del tiempo fueron un aumento de las medidas deseguridad, una mayor eciencia termodinmica, un au-mento de potencia y el uso de las nuevas tecnologas quefueron apareciendo.Entre 1950 y 1960 Canad desarroll un nuevo tipo,basado en el PWR, que utilizaba agua pesada comomoderador y uranio natural como combustible, en lugardel uranio enriquecido utilizado por los diseos de agualigera. Otros diseos de reactores para su uso comercialutilizaron carbono (Magnox, AGR, RBMK o PBR entreotros) o sales fundidas (litio o berilio entre otros) comomoderador. Este ltimo tipo de reactor fue parte del di-seo del primer avin bombardero (1954) con propulsinnuclear (el USAircraft Reactor Experiment o ARE). Estediseo se abandon tras el desarrollo de los misiles bals-ticos intercontinentales (ICBM).Otros pases (Francia, Italia, entre otros) desarrollaron suspropios diseos de reactores nucleares para la generacinelctrica comercial.En 1946 se construy el primer reactor de neutrones r-pidos (Clementine) en Los lamos, con plutonio comocombustible y mercurio como refrigerante. En 1951 seconstruy el EBR-I, el primer reactor rpido con el quese consigui generar electricidad. En 1996, el Superfnixo SPX, fue el reactor rpido de mayor potencia construi-do hasta el momento (1200 MWe). En este tipo de reac-tores se pueden utilizar como combustible los radiois-topos del plutonio, el torio y el uranio que no son sibles

4 1 HISTORIA

con neutrones trmicos (lentos).En la dcada de los 50 Ernest Lawrence propuso la po-sibilidad de utilizar reactores nucleares con geometrasinferiores a la criticidad (reactores subcrticos cuyo com-bustible podra ser el torio), en los que la reaccin se-ra soportada por un aporte externo de neutrones. En1993 Carlo Rubbia propone utilizar una instalacin deespalacin en la que un acelerador de protones produjeralos neutrones necesarios para mantener la instalacin. Aeste tipo de sistemas se les conoce como Sistemas asis-tidos por aceleradores (en ingls Accelerator driven sys-tems, ADS sus siglas en ingls), y se prev que la prime-ra planta de este tipo (MYRRHA) comience su funcio-namiento entre el 2016 y el 2018 en el centro de Mol(Blgica).[5]

VentajasLa energa nuclear de sin tiene como principal ventajaque no utiliza combustibles fsiles, por lo que no emitegases de efecto invernadero. Esto es importante debido alProtocolo de Kyoto, que obliga a pagar una tasa por ca-da tonelada de CO2 emitido. Adems, genera gran can-tidad de energa consumiendo muy poco combustible ylas reservas de combustible nuclear son sucientes paraabastecer a todo el planeta durante ms de 100 aos.DesventajasAdems de producir una gran cantidad de energa elc-trica, tambin produce residuos nucleares que hay que al-bergar en depsitos aislados y controlados durante largotiempo. Las emisiones contaminantes indirectas deriva-das de la construccin de las centrales nucleares, de lafabricacin del combustible y de la gestin posterior delos residuos radiactivos son muy peligrosas y podran lle-gar a tener una gran repercusin en el medio ambiente yen los seres vivos si son liberados o vertidos a la atms-fera, llegando incluso a producir la muerte, y condenar alas generaciones venideras con mutaciones.Estos residuos tardan siglos en descomponerse y por loque su almacenamiento debe asegurar proteccin y queno contaminen durante todo este tiempo. Uno de los pro-cedimientos ms utilizados es su almacenamiento en con-tenedores cermicos, pero ahora se est proponiendo sualmacenamiento en cuevas profundas, los llamados alma-cenamientos geolgicos profundos (AGP) donde el obje-tivo nal es que queden enterrados con seguridad durantevarios miles de aos aunque esto no puede garantizarse.Los residuos ms peligrosos generados en la sin nu-clear son las barras de combustible, en las que se generanistopos que pueden permanecer radiactivos a lo largode miles de aos como el curio, el neptunio o el ameri-cio. Tambin se generan residuos de alta actividad quedeben ser vigilados, pero que duran pocos aos y puedenser controlados.Otra gran preocupacin es que roben estos residuos y losutilicen como combustible para bombas atmicas o ar-mas nucleares, ya que en sus inicios la energa nuclear se

utiliz para nes blicos. Por eso estas instalaciones po-seen niveles de seguridad ms elevados que el resto deinstalaciones industriales.

1.3 La fusin nuclearEn fsica nuclear, fusin nuclear es el proceso por el cualvarios ncleos atmicos de carga similar se unen y for-man un ncleo ms pesado. Simultneamente se libera oabsorbe una cantidad enorme de energa, que permite a lamateria entrar en un estado plasmtico. La fusin de dosncleos de menor masa que el hierro (en este elementoy en el nquel ocurre la mayor energa de enlace nuclearpor nuclen) libera energa en general. Por el contrario,la fusin de ncleos ms pesados que el hierro absorbeenerga. En el proceso inverso, la sin nuclear, estos fe-nmenos suceden en sentidos opuestos. Hasta el princi-pio del s.XX no se entendi la forma en que se generabaenerga en el interior de las estrellas para contrarrestar elcolapso gravitatorio de estas. No exista reaccin qumicacon la potencia suciente y la sin tampoco era capaz.En 1938 Hans Bethe logr explicarlo mediante reaccio-nes de fusin, con el ciclo CNO, para estrellas muy pe-sadas. Posteriormente se descubri el ciclo protn-protnpara estrellas de menor masa, como el Sol.En los aos 1940, como parte del proyecto Manhattan,se estudi la posibilidad del uso de la fusin en la bom-ba nuclear. En 1942 se investig la posibilidad del uso deuna reaccin de sin como mtodo de ignicin para laprincipal reaccin de fusin, sabiendo que podra resul-tar en una potencia miles de veces superior. Sin embar-go, tras nalizar la Segunda GuerraMundial, el desarrollode una bomba de estas caractersticas no fue consideradoprimordial hasta la explosin de la primera bomba atmi-ca rusa en 1949, RDS-1 o Joe-1. Este evento provoc queen 1950 el presidente estadounidense Harry S. Trumananunciara el comienzo de un proyecto que desarrollara labomba de hidrgeno. El 1 de noviembre de 1952 se probla primera bomba nuclear (nombre en clave Mike, partede la Operacin Ivy o Hiedra), con una potencia equiva-lente a 10.400.000.000 de kg de TNT (10,4 megatones).El 12 de agosto de 1953 la Unin Sovitica realiza su pri-mera prueba con un artefacto termonuclear (su potenciaalcanz algunos centenares de kilotones).Las condiciones que eran necesarias para alcanzar la ig-nicin de un reactor de fusin controlado, sin embargo,no fueron derivadas hasta 1955 por John D. Lawson.[6]Los criterios de Lawson denieron las condiciones m-nimas necesarias de tiempo, densidad y temperatura quedeba alcanzar el combustible nuclear (ncleos de hidr-geno) para que la reaccin de fusin se mantuviera. Sinembargo, ya en 1946 se patent el primer diseo de reac-tor termonuclear.[7] En 1951 comenz el programa de fu-sin de Estados Unidos, sobre la base del stellarator. En elmismo ao comenz en la Unin Sovitica el desarrollodel primer Tokamak, dando lugar a sus primeros expe-rimentos en 1956. Este ltimo diseo logr en 1968 la

1.4 Otros sistemas de energa nuclear 5

primera reaccin termonuclear cuasi-estacionaria jamsconseguida, demostrndose que era el diseo ms ecien-te conseguido hasta la poca. ITER, el diseo internacio-nal que tiene fecha de comienzo de sus operaciones en elao 2016 y que intentar resolver los problemas existen-tes para conseguir un reactor de fusin de connamientomagntico, utiliza este diseo.

Cpsula de combustible preparada para el reactor de fusin deconnamiento inercial NIF, rellena de deuterio y tritio.

En 1962 se propuso otra tcnica para alcanzar la fusinbasada en el uso de lseres para conseguir una implo-sin en pequeas cpsulas llenas de combustible nuclear(de nuevo ncleos de hidrgeno). Sin embargo hasta ladcada de los 70 no se desarrollaron lseres suciente-mente potentes. Sus inconvenientes prcticos hicieron deesta una opcin secundaria para alcanzar el objetivo deun reactor de fusin. Sin embargo, debido a los tratadosinternacionales que prohiban la realizacin de ensayosnucleares en la atmsfera, esta opcin (bsicamente mi-croexplosiones termonucleares) se convirti en un exce-lente laboratorio de ensayos para los militares, con lo queconsigui nanciacin para su continuacin. As se hanconstruido el National Ignition Facility (NIF, con iniciode sus pruebas programadas para 2010) estadounidensey el Lser Megajoule (LMJ, que ser completado en el2010) francs, que persiguen el mismo objetivo de con-seguir un dispositivo que consiga mantener la reaccinde fusin a partir de este diseo. Ninguno de los proyec-tos de investigacin actualmente en marcha predicen unaganancia de energa signicativa, por lo que est previs-to un proyecto posterior que pudiera dar lugar a los pri-meros reactores de fusin comerciales (DEMO para elconnamiento magntico e HiPER para el connamientoinercial).

1.4 Otros sistemas de energa nuclear

Con la invencin de la pila qumica por Volta en 1800 sedio lugar a una forma compacta y porttil de generacinde energa. A partir de entonces fue incesante la bsque-da de sistemas que fueran an menores y que tuvieran

una mayor capacidad y duracin. Este tipo de pilas, conpocas variaciones, han sido sucientes para muchas apli-caciones diarias hasta nuestros tiempos. Sin embargo, enel siglo XX surgieron nuevas necesidades, a causa princi-palmente de los programas espaciales. Se precisaban en-tonces sistemas que tuvieran una duracin elevada paraconsumos elctricos moderados y un mantenimiento nu-lo. Surgieron varias soluciones (como los paneles solareso las clulas de combustible), pero segn se incrementa-ban las necesidades energticas y aparecan nuevos pro-blemas (las placas solares son intiles en ausencia de luzsolar), se comenz a estudiar la posibilidad de utilizar laenerga nuclear en estos programas.A mediados de la dcada de los 50 comenzaron enEstados Unidos las primeras investigaciones encamina-das a estudiar las aplicaciones nucleares en el espacio. Deestas surgieron los primeros prototipos de los generadorestermoelctricos de radioistopos (RTG). Estos dispositi-vos mostraron ser una alternativa sumamente interesantetanto en las aplicaciones espaciales como en aplicacio-nes terrestres especcas. En estos artefactos se aprove-chan las desintegraciones alfa y beta, convirtiendo toda ogran parte de la energa cintica de las partculas emitidaspor el ncleo en calor. Este calor es despus transformadoen electricidad aprovechando el efecto Seebeck medianteunos termopares, consiguiendo eciencias aceptables (en-tre un 5 y un 40 % es lo habitual). Los radioistopos ha-bitualmente utilizados son 210Po, 244Cm, 238Pu, 241Am,entre otros 30 que se consideraron tiles. Estos dispositi-vos consiguen capacidades de almacenamiento de energa4 rdenes de magnitud superiores (10 000 veces mayor)a las bateras convencionales.En 1959 se mostr al pblico el primer generador at-mico.[8] En 1961 se lanz al espacio el primer RTG, abordo del SNAP 3. Esta batera nuclear, que alimentabaa un satlite de la armada norteamericana con una poten-cia de 2,7W, mantuvo su funcionamiento ininterrumpidodurante 15 aos.Estos sistemas se han utilizado y se siguen usando enprogramas espaciales muy conocidos (Pioneer, Voyager,Galileo, Apolo y Ulises entre otros). As por ejemplo en1972 y 1973 se lanzaron los Pioneer 10 y 11, convirtin-dose el primero de ellos en el primer objeto humano dela historia que abandonaba el sistema solar. Ambos sat-lites continuaron funcionando hasta 17 aos despus desus lanzamientos.La misin Ulises (misin conjunta ESA-NASA) se en-vi en 1990 para estudiar el Sol, siendo la primera vezque un satlite cruzaba ambos polos solares. Para poderhacerlo hubo que enviar el satlite en una rbita alrede-dor de Jpiter. Debido a la duracin del RTG que man-tiene su funcionamiento se prolong la misin de modoque se pudiera volver a realizar otro viaje alrededor delSol. Aunque pareciera extrao que este satlite no usa-ra paneles solares en lugar de un RTG, puede entenderseal comparar sus pesos (un panel de 544 kg generaba la

6 2 FUNDAMENTOS FSICOS

RTG del New Horizons (en el centro abajo, en negro), misin notripulada a Plutn. La sonda fue lanzada en enero de 2006 yalcanzar su objetivo en julio de 2015.

misma potencia que un RTG de 56). En aquellos aos noexista un cohete que pudiera enviar a su rbita al satlitecon ese peso extra.Estas bateras no solo proporcionan electricidad, sino queen algunos casos, el propio calor generado se utiliza paraevitar la congelacin de los satlites en viajes en los que elcalor del Sol no es suciente, por ejemplo en viajes fueradel sistema solar o en misiones a los polos de la Luna.En 1966 se instal el primer RTG terrestre en la isladeshabitada Fairway Rock, permaneciendo en funciona-miento hasta 1995, momento en el que se desmantel.Otros muchos faros situados en zonas inaccesibles cerca-nas a los polos (sobre todo en la Unin Sovitica), utiliza-ron estos sistemas. Se sabe que la Unin Sovitica fabricms de 1000 unidades para estos usos.Una aplicacin que se dio a estos sistemas fue su uso co-mo marcapasos.[9] Hasta los 70 se usaba para estas apli-caciones bateras de mercurio-zinc, que tenan una du-racin de unos 3 aos. En esta dcada se introdujeronlas bateras nucleares para aumentar la longevidad de es-tos artefactos, posibilitando que un paciente joven tuvie-ra implantado solo uno de estos artefactos para toda suvida. En los aos 1960, la empresa Medtronic contactcon Alcatel para disear una batera nuclear, implantan-do el primer marcapasos alimentado con un RTG en un

paciente en 1970 en Pars. Varios fabricantes construye-ron sus propios diseos, pero a mediados de esta dcadafueron desplazados por las nuevas bateras de litio, queposean vidas de unos 10 aos (considerado suciente porlos mdicos aunque debiera sustituirse varias veces has-ta la muerte del paciente). A mediados de los aos 1980se detuvo el uso de estos implantes, aunque an existenpersonas que siguen portando este tipo de dispositivos.

2 Fundamentos fsicos

Representacin del periodo de semidesintegracin de los ncleosconocidos. En el eje de abscisas se representa el nmero de proto-nes (Z) mientras que en el eje de ordenadas el nmero de neutro-nes (N). Los istopos marcados en rojo son aquellos que puedenconsiderarse estables.

Sir James Chadwick descubri el neutrn en 1932, aoque puede considerarse como el inicio de la fsica nuclearmoderna.[10]

El modelo de tomo propuesto por Niels Bohr consisteen un ncleo central compuesto por partculas que con-centran la mayora de la masa del tomo (neutrones yprotones), rodeado por varias capas de partculas carga-das casi sin masa (electrones). Mientras que el tamaodel tomo resulta ser del orden del angstrom (1010 m),el ncleo puede medirse en fermis (1015 m), o sea, elncleo es 100.000 veces menor que el tomo.Todos los tomos neutros (sin carga elctrica) poseen elmismo nmero de electrones que de protones. Un ele-mento qumico se puede identicar de forma inequvocapor el nmero de protones que posee su ncleo; este n-mero se llama nmero atmico (Z). El nmero de neutro-nes (N) sin embargo puede variar para un mismo elemen-to. Para valores bajos de Z ese nmero tiende a ser muy

2.2 Fisin 7

parecido al de protones, pero al aumentar Z se necesitanms neutrones para mantener la estabilidad del ncleo.A los tomos a los que solo les distingue el nmero deneutrones en su ncleo (en denitiva, su masa), se les lla-ma istopos de un mismo elemento. La masa atmica deun istopo viene dada por A = Z + N u, el nmero deprotones ms el de neutrones (nucleones) que posee en suncleo.Para denominar un istopo suele utilizarse la letra queindica el elemento qumico, con un superndice que es lamasa atmica y un subndice que es el nmero atmico(p. ej. el istopo 238 del uranio se escribira como 23892 U).

2.1 El ncleoLos neutrones y protones que forman los ncleos tienenuna masa aproximada de 1 u, estando el protn carga-do elctricamente con carga positiva +1, mientras que elneutrn no posee carga elctrica. Teniendo en cuenta ni-camente la existencia de las fuerzas electromagntica ygravitatoria, el ncleo sera inestable (ya que las partcu-las de igual carga se repeleran deshaciendo el ncleo),haciendo imposible la existencia de la materia. Por estemotivo (ya que es obvio que la materia existe) fue necesa-rio aadir a los modelos una tercera fuerza: la fuerza fuer-te (hoy en da fuerza nuclear fuerte residual). Esta fuerzadeba tener como caractersticas, entre otras, que era muyintensa, atractiva a distancias muy cortas (solo en el inte-rior de los ncleos), siendo repulsiva a distancias ms cor-tas (del tamao de un nuclen), que era central en ciertorango de distancias, que dependa del espn y que no de-penda del tipo de nuclen (neutrones o protones) sobreel que actuaba. En 1935, Hideki Yukawa dio una prime-ra solucin a esta nueva fuerza estableciendo la hiptesisde la existencia de una nueva partcula: el mesn. El msligero de los mesones, el pion, es el responsable de la ma-yor parte del potencial entre nucleones de largo alcance(1 fm). El potencial de Yukawa (potencial OPEP) quedescribe adecuadamente la interaccin para dos partcu-las de espines s1 y s2 respectivamente, se puede escribircomo:

V (r) =g2(mc

2)3

3(Mc2)2~2

s1s2 + S121 +

3R

r+

3R2

r2

e

rR

rR

Otros experimentos que se realizaron sobre los ncleosindicaron que su forma deba de ser aproximadamenteesfrica de radio R = 1; 5 A1/3 fm, siendo A la masaatmica, es decir, la suma de neutrones y protones. Estoexige adems que la densidad de los ncleos sea la mis-ma ( V R3A , es decir el volumen es proporcional aA. Como la densidad se halla dividiendo la masa por elvolumen = AV = cte ). Esta caracterstica llev a laequiparacin de los ncleos con un lquido, y por tanto almodelo de la gota lquida, fundamental en la comprensinde la sin de los ncleos.

U235

U238Fe56O16

C12

He4

Li6Li7

He3H3

H2

H1

Number of nucleons in nucleus

Ave

rage

bin

ding

ene

rgy

per n

ucle

on (M

eV)

9

8

7

6

5

4

3

2

1

00 30 60 90 120 150 180 210 240 270

Energa de ligadura media por nuclen de los distintos elementosatmicos en funcin de su masa atmica.

La masa de un ncleo, sin embargo, no resulta exacta-mente de la suma de sus nucleones. Tal y como demostrAlbert Einstein, la energa quemantiene unidos a esos nu-cleones se observa como una diferencia en la masa del n-cleo, de forma que esa diferencia viene dada por la ecua-cin E = m c2 . As, pesando los distintos tomos poruna parte, y sus componentes por otra, puede determi-narse la energa media por nuclen que mantiene unidosa los diferentes ncleos.En la grca puede contemplarse como los ncleos muyligeros poseen menos energa de ligadura que los que sonun poquito ms pesados (la parte izquierda de la grca).Esta caracterstica es la base de la liberacin de la energaen la fusin. Y al contrario, en la parte de la derecha se veque los muy pesados tienenmenor energa de ligadura quelos que son algo ms ligeros. Esta es la base de la emisinde energa por sin. Como se ve, es mucho mayor ladiferencia en la parte de la izquierda (fusin) que en la dela derecha (sin).

2.2 Fisin

Loga

rithm

ic s

cale

(%)

Distribucin tpica de las masas de los productos de sin. Lagrca representa el caso del uranio 235.

8 2 FUNDAMENTOS FSICOS

Fermi, tras el descubrimiento del neutrn, realiz una se-rie de experimentos en los que bombardeaba distintos n-cleos con estas nuevas partculas. En estos experimentosobserv que cuando utilizaba neutrones de energas ba-jas, en ocasiones el neutrn era absorbido emitindosefotones.Para averiguar el comportamiento de esta reaccin repi-ti el experimento sistemticamente en todos los elemen-tos de la tabla peridica. As descubri nuevos elementosradiactivos, pero al llegar al uranio obtuvo resultados dis-tintos. Lise Meitner, Otto Hahn y Fritz Strassmann con-siguieron explicar el nuevo fenmeno al suponer que elncleo de uranio al capturar el neutrn se escinda en dospartes de masas aproximadamente iguales. De hecho de-tectaron bario, de masa aproximadamente la mitad quela del uranio. Posteriormente se averigu que esa esci-sin (o sin) no se daba en todos los istopos del uranio,sino solo en el 235U. Y ms tarde an, se supo que esa es-cisin poda dar lugar a muchsimos elementos distintos,cuya distribucin de aparicin es muy tpica (similar a ladoble joroba de un camello).

Esquema del fenmeno de la sin del 235U. Un neutrn de bajavelocidad (trmico) impacta en un ncleo de uranio desestabili-zndolo. Este se divide en dos partes y adems emite una mediade 2.5 neutrones por sin.

En la sin de un ncleo de uranio, no solo aparecen dosncleos ms ligeros resultado de la divisin del de ura-nio, sino que adems se emiten 2 o 3 (en promedio 2,5

en el caso del 235U) neutrones a una alta velocidad (ener-ga). Como el uranio es un ncleo pesado no se cumplela relacin N=Z (igual nmero de protones que de neu-trones) que s se cumple para los elementos ms ligeros,por lo que los productos de la sin poseen un excesode neutrones. Este exceso de neutrones hace inestables(radiactivos) a esos productos de sin, que alcanzan laestabilidad al desintegrarse los neutrones excedentes pordesintegracin beta generalmente. La sin del 235U pue-de producirse en ms de 40 formas diferentes, originn-dose por tanto ms de 80 productos de sin distintos,que a su vez se desintegran formando cadenas de desin-tegracin, por lo que nalmente aparecen cerca de 200elementos a partir de la sin del uranio.La energa desprendida en la sin de cada ncleo de235U es en promedio de 200 MeV. Los minerales ex-plotados para la extraccin del uranio suelen poseer con-tenidos de alrededor de 1 gramo de uranio por kg demineral (la pechblenda por ejemplo). Como el conteni-do de 235U en el uranio natural es de un 0,7%, se ob-tiene que por cada kg de mineral extrado tendramos1; 8 1019 tomos de 235U. Si sionamos todos esos to-mos (1 gramo de uranio) obtendramos una energa li-berada de 3; 6 1027eV = 5; 8 108J por gramo. Encomparacin, por la combustin de 1 kg de carbn de lamejor calidad (antracita) se obtiene una energa de unos4 107J , es decir, se necesitan ms de 10 toneladas deantracita (el tipo de carbn con mayor poder calorco)para obtener la misma energa contenida en 1 kg de ura-nio natural.La aparicin de los 2,5 neutrones por cada sin posibi-lita la idea de llevar a cabo una reaccin en cadena, si selogra hacer que de esos 2,5 al menos un neutrn consigasionar un nuevo ncleo de uranio. La idea de la reac-cin en cadena es habitual en otros procesos qumicos.Los neutrones emitidos por la sin no son tiles inme-diatamente, sino que hay que frenarlos (moderarlos) has-ta una velocidad adecuada. Esto se consigue rodeando lostomos por otro elemento con un Z pequeo, como porejemplo hidrgeno, carbono o litio, material denominadomoderador.Otros tomos que pueden sionar con neutrones lentosson el 233U o el 239Pu. Sin embargo tambin es posible lasin con neutrones rpidos (de energas altas), como porejemplo el 238U (140 veces ms abundante que el 235U)o el 232Th (400 veces ms abundante que el 235U).La teora elemental de la sin la proporcionaron Bohr yWheeler, utilizando un modelo segn el cual los ncleosde los tomos se comportan como gotas lquidas.La sin se puede conseguir tambin mediante partculasalfa, protones o deuterones.

2.4 Desintegracin alfa 9

n + 14.1 MeV

H2 H3

He + 3.5 MeV4

Proceso de fusin entre un ncleo de deuterio y uno de tritio. Esla opcin ms adecuada para ser llevada a cabo en un reactornuclear de fusin.

2.3 Fusin

As como la sin es un fenmeno que aparece en la cor-teza terrestre de forma natural (si bien con una frecuenciapequea), la fusin es absolutamente articial en nues-tro entorno. Sin embargo, esta energa posee ventajas conrespecto a la sin. Por un lado el combustible es abun-dante y fcil de conseguir, y por otro, sus productos sonelementos estables y ligeros.En la fusin, al contrario que en la sin donde se divi-den los ncleos, la reaccin consiste en la unin de doso ms ncleos ligeros. Esta unin da lugar a un ncleoms pesado que los usados inicialmente y a neutrones. Lafusin se consigui antes incluso de comprender comple-tamente las condiciones que se necesitaban, limitndosea conseguir condiciones extremas de presin y tempera-tura usando una bomba de sin. Pero no es hasta queLawson dene unos criterios de tiempo, densidad y tem-peratura mnimos[6] cuando se comienza a comprender elfuncionamiento de la fusin.Aunque en las estrellas la fusin se da entre una variedadde elementos qumicos, el elemento con el que es mssencillo alcanzarla es el hidrgeno. El hidrgeno poseetres istopos: el hidrgeno comn ( 11H ), el deuterio ( 21H) y el tritio ( 31H ). Esto es as porque la fusin requiereque se venza la repulsin electrosttica que experimentanlos ncleos al unirse, por lo que a menor carga elctrica,menor ser esta. Adems, a mayor cantidad de neutrones,ms pesado ser el ncleo resultante (ms arriba estare-mos en la grca de las energas de ligadura), con lo quemayor ser la energa liberada en la reaccin.Una reaccin particularmente interesante es la fusin de

deuterio y tritio:

21H +

31H ! 42He+ n+ 17; 6MeV

En esta reaccin se liberan 17,6MeV por fusin, ms queen el resto de combinaciones con istopos de hidrgeno.Adems esta reaccin proporciona un neutrn muy ener-gtico que puede aprovecharse para generar combustibleadicional para reacciones posteriores de fusin, utilizan-do litio, por ejemplo. La energa liberada por gramo conesta reaccin es casi 1.000 veces mayor que la logradaen la sin de 1 gramo de uranio natural (unas 7 vecessuperior si fuera un gramo de 235U puro).Para vencer la repulsin electrosttica, es necesario quelos ncleos a fusionar alcancen una energa cintica deaproximadamente 10 keV. Esta energa se obtiene me-diante un intenso calentamiento (igual que en las estrellas,donde se alcanzan temperaturas de 108 K), que implicaun movimiento de los tomos igual de intenso. Ademsde esa velocidad para vencer la repulsin electrosttica, laprobabilidad de que se produzca la fusin debe ser eleva-da para que la reaccin suceda. Esto implica que se debenposeer sucientes tomos con energa suciente duranteun tiempo mnimo. El criterio de Lawson dene que elproducto entre la densidad de ncleos con esa energa porel tiempo durante el que deben permanecer en ese estadodebe ser n = 1014s nucleos cm3 .Los dos mtodos en desarrollo para aprovechar de for-ma til la energa desprendida en esta reaccin son elconnamiento magntico y el connamiento inercial (confotones que provienen de lser o partculas que provienende aceleradores).

2.4 Desintegracin alfa

Representacin de la emisin de una partcula alfa por un ncleo.

Esta reaccin es una forma de sin espontnea, en laque un ncleo pesado emite una partcula alfa () conuna energa tpica de unos 5 MeV. Una partcula esun ncleo de helio, constituido por dos protones y dosneutrones. En su emisin el ncleo cambia, por lo que el

10 3 TECNOLOGA NUCLEAR

elemento qumico que sufre este tipo de desintegracinmuta en otro distinto. Una reaccin natural tpica es lasiguiente:

23892U ! 23490Th + En la que un tomo de 238U se transforma en otro de234Th.Fue en 1928 cuando George Gamow dio una explicacinterica a la emisin de estas partculas. Para ello supusoque la partcula alfa conviva en el interior del ncleo conel resto de los nucleones, de una forma casi independien-te. Por efecto tnel en algunas ocasiones esas partculassuperan el pozo de potencial que crea el ncleo, separn-dose de l a una velocidad de un 5% la velocidad de laluz.

2.5 Desintegracin beta

Representacin de una partcula beta emitida por un ncleo.

Existen dosmodos de desintegracin beta. En el tipo lafuerza dbil convierte un neutrn (n0) en un protn (p+) yal mismo tiempo emite un electrn (e) y un antineutrino( e ):

n0 ! p+ + e + eEn el tipo + un protn se transforma en un neutrn emi-tiendo un positrn (e+) y un neutrino ( e ):

p+ ! n0 + e+ + eSin embargo, este ltimo modo no se presenta de formaaislada, sino que necesita un aporte de energa.La desintegracin beta hace cambiar al elemento qumicoque la sufre. Por ejemplo, en la desintegracin el ele-mento se transforma en otro con un protn (y un electrn)ms. As en la desintegracin del 137Cs por ;

137Cs!137 Ba+ + e + e

En 1934, Enrico Fermi consigui crear un modelo de estadesintegracin que responda correctamente a su fenome-nologa.

3 Tecnologa nuclear

3.1 Armas nucleares

Un arma es todo instrumento, medio o mquina que sedestina a atacar o a defenderse.[11] Segn tal denicin,existen dos categoras de armas nucleares:

1. Aquellas que utilizan la energa nuclear de forma di-recta para el ataque o la defensa, es decir, los explo-sivos que usan la sin o la fusin.

2. Aquellas que utilizan la energa nuclear para su pro-pulsin, pudiendo a su vez utilizar o no municinque utilice la energa nuclear para su detonacin. Enesta categora se pueden citar los buques de gue-rra de propulsin nuclear (cruceros, portaaviones,submarinos, bombarderos, etc.).

3.1.1 Bomba atmica

Existen dos formas bsicas de utilizar la energa nucleardesprendida por reacciones en cadena descontroladas deforma explosiva: la sin y la fusin.

Bomba de sin

Mtodos utilizados para crear una masa crtica del elemento fsilempleado en la bomba de sin.

3.1 Armas nucleares 11

El 16 de julio de 1945 se produjo la primera explosin deuna bomba de sin creada por el ser humano: La PruebaTrinity.Existen dos tipos bsicos de bombas de sin: utilizan-do uranio altamente enriquecido (enriquecimiento supe-rior al 90% en 235U) o utilizando plutonio. Ambos ti-pos se fundamentan en una reaccin de sin en cadenadescontrolada y solo se han empleado en un ataque realen Hiroshima y Nagasaki, al nal de la Segunda GuerraMundial.Para que este tipo de bombas funcionen es necesario utili-zar una cantidad del elemento utilizado superior a laMasacrtica. Suponiendo una riqueza en el elemento del 100%,eso suponen 52 kg de 235U o 10 kg de 239Pu. Para sufuncionamiento se crean 2 o ms partes subcrticas quese unen mediante un explosivo qumico convencional deforma que se supere la masa crtica.Los dos problemas bsicos que se debieron resolver paracrear este tipo de bombas fueron:

Generar suciente cantidad del elemento fsil a uti-lizar, ya sea uranio enriquecido o plutonio puro.

Alcanzar un diseo en el que el material utilizado enla bomba no sea destruido por la primera explosinantes de alcanzar la criticidad.

El rango de potencia de estas bombas se sita entre apro-ximadamente el equivalente a una tonelada de TNT hastalos 500.000 kilotones.

Bomba de fusin

Tras el primer ensayo exitoso de una bomba de sin porla Unin Sovitica en 1949 se desarroll una segunda ge-neracin de bombas nucleares que utilizaban la fusin.Se la llam bomba termonuclear, bomba H o bomba dehidrgeno. Este tipo de bomba no se ha utilizado nun-ca contra ningn objetivo real. El llamado diseo Teller-Ullam (o secreto de la bomba H) separa ambas explosio-nes en dos fases.Este tipo de bombas pueden ser miles de veces ms po-tentes que las de sin. En teora no existe un lmite ala potencia de estas bombas, siendo la de mayor potenciaexplotada la bomba del Zar, de una potencia superior alos 50 megatones.Las bombas de hidrgeno utilizan una bomba primariade sin que genera las condiciones de presin y tem-peratura necesarias para comenzar la reaccin de fusinde ncleos de hidrgeno. Los nicos productos radiacti-vos que generan estas bombas son los producidos en laexplosin primaria de sin, por lo que a veces se le hallamado bomba nuclear limpia. El extremo de esta carac-terstica son las llamadas bombas de neutrones o bombaN, que minimizan la bomba de sin primaria, logran-do un mnimo de productos de sin. Estas bombas ade-ms se disearon de tal modo que la mayor cantidad de

Diseo bsico Teller-Ullam

energa liberada sea en forma de neutrones, con lo quesu potencia explosiva es la dcima parte que una bombade sin. Fueron concebidas como armas anti-tanque, yaque al penetrar los neutrones en el interior de los mismos,matan a sus ocupantes por las radiaciones.

3.1.2 Buques militares de propulsin nuclear

Durante la segunda guerra mundial se comprob que elsubmarino poda ser un arma decisiva, pero posea ungrave problema: su necesidad de emerger tras cortos pe-rodos para obtener aire para la combustin del disel enque se basaban sus motores (la invencin del snorkel me-jor algo el problema, pero no lo solucion). El Almiran-te Hyman G. Rickover fue el primero que pens que laenerga nuclear podra ayudar con este problema.Los desarrollos de los reactores nucleares permitieron unnuevo tipo de motor con ventajas fundamentales:

1. No precisa aire para el funcionamiento del motor,ya que no se basa en la combustin.

2. Una pequea masa de combustible nuclear permite

12 3 TECNOLOGA NUCLEAR

USS Enterprise (CVN-65) junto con otros buques de apoyo depropulsin nuclear (un crucero y un destructor) en el Mediterr-neo. La tripulacin forma en su cubierta la famosa frmula deEinstein E=mc sobre la equivalencia masa-energa.

una autonoma de varios meses (aos incluso) sin re-postar. Por ejemplo, los submarinos de Estados Uni-dos no necesitan repostar durante toda su vida til.

3. Un empuje que ningn otro motor puede equiparar,con lo que pudieron construirse submarinos muchoms grandes que los existentes hasta el momento. Elmayor submarino construido hasta la fecha son losde la clase Akula rusos (desplazamiento de 48 miltoneladas, 175 m de longitud).

Estas ventajas condujeron a buques que alcanzan veloci-dades de ms de 25 nudos, que pueden permanecer sema-nas en inmersin profunda y que adems pueden almace-nar enormes cantidades de municin (nuclear o conven-cional) en sus bodegas. De hecho las armadas de EstadosUnidos, Francia y el Reino Unido slo poseen submarinosque utilizan este sistema de propulsin.En los submarinos se han utilizado reactores de agua apresin, de agua en ebullicin o de sales fundidas. Paraconseguir reducir el peso del combustible en estos reac-tores se usa uranio con altos grados de enriquecimiento(del 30 al 40% en los rusos o del 96% en los estadouni-denses). Estos reactores presentan la ventaja de que no esnecesario (aunque s es posible) convertir el vapor gene-rado por el calor en electricidad, sino que puede utilizar-se de forma directa sobre una turbina que proporciona elmovimiento a las hlices que impulsan el buque, mejo-rando notablemente el rendimiento.Se han construido una gran variedad de buques militaresque usan motores nucleares y que, en algunos casos, por-tan a su vez misiles de medio o largo alcance con cabezasnucleares:

Cruceros. Como el USS Long Beach (CGN-9), 2reactores nucleares integrados tipo C1W.

Destructores. Como el USS Bainbridge (CGN-25)fue el buque de propulsin nuclear ms pequeo ja-

ms construido, usa 2 reactores nucleares integradostipo D2G.

Portaaviones. El ms representativo es el USS En-terprise (CVN-65), construido en 1961 y an ope-rativo, que utiliza para su propulsin 8 reactores nu-cleares tipo A2W.

Submarinos balsticos. Utilizan la energa nuclearcomo propulsin y misiles de medio o largo alcancecomo armamento. La clase Akula son de este tipo,utilizando 2 reactores nucleares tipo OK-650 y por-tando, adems de armamento convencional, 20 mi-siles nucleares RSM-52, cada uno con 10 cabezasnucleares de 200 kilotones cada una.

Submarinos de ataque. Como el USS Seawolf (SSN-21) de la clase Seawolf que usa un reactor nuclearintegrado PWR tipo S6W. Alcanza una velocidadde 30 nudos.

Estados Unidos, Gran Bretaa, Rusia, China y Franciaposeen buques de propulsin nuclear.

3.1.3 Aviones militares de propulsin nuclear

Tanto Estados Unidos como la Unin Sovitica se plan-tearon la creacin de una ota de bombarderos de propul-sin nuclear. De este modo se pretenda mantenerlos car-gados con cabezas nucleares y volando de forma perma-nente cerca de los objetivos prejados. Con el desarrollodel Misil balstico intercontinental (ICBM) a nales delos 50, ms rpidos y baratos, sin necesidad de pilotosy prcticamente invulnerables, se abandonaron todos losproyectos.Los proyectos experimentales fueron:

Convair X-6. Proyecto estadounidense a partir deun bombardero B-36. Lleg a tener un prototipo (elNB-36H) que realiz 47 vuelos de prueba de 1955a 1957, ao en el que se abandon el proyecto. Seutiliz un reactor de sin de 3 MW refrigerado conaire que solo entr en funcionamiento para las prue-bas de los blindajes, nunca propulsando el avin.

Tupolev Tu-119. Proyecto sovitico a partir de unbombardero Tupolev Tu-95. Tampoco pas de laetapa de pruebas.

3.2 Propulsin nuclear civil

La energa nuclear se utiliza desde los aos 50 como siste-ma para dar empuje (propulsar) distintos sistemas, desdelos submarinos (el primero que utiliz la energa nuclear),hasta naves espaciales en desarrollo en este momento.

3.3 Generacin de electricidad 13

El NS Savannah, el primer buque nuclear de mercancas y pasa-jeros jams construido, fue botado en 1962 y desguazado 8 aosms tarde por su inviabilidad econmica.

3.2.1 Buques nucleares civiles

Tras el desarrollo de los buques de propulsin nuclear deuso militar se hizo pronto patente que existan ciertas si-tuaciones en las que sus caractersticas podan ser trasla-dadas a la navegacin civil.Se han construido cargueros y rompehielos que usan reac-tores nucleares como motor.El primer buque nuclear de carga y pasajeros fue el NSSavannah, botado en 1962. Solo se construyeron otros 3buques de carga y pasajeros: El Mutsu japons, el OttoHahn alemn y el Sevmorput ruso. El Sevmorput (acr-nimo de 'SeverniiMorskoi Put'), botado en 1988 y dotadocon un reactor nuclear tipo KLT-40 de 135MW, sigue enactivo hoy en da transitando la ruta del mar del norte.Rusia ha construido 9 rompehielos nucleares desde 1959hasta 2007, realizando recorridos tursticos, viajando ha-cia el polo norte, desde 1989. El coste de uno de sus viajeses de 25.000 dlares por un viaje de 3 semanas.

3.2.2 Propulsin aeroespacial

Aunque existen varias opciones que pueden utilizar laenerga nuclear para propulsar cohetes espaciales, solo al-gunas han alcanzado niveles de diseo avanzados.El cohete termonuclear, por ejemplo, utiliza hidrgenorecalentado en un reactor nuclear de alta temperatura,consiguiendo empujes al menos dos veces superiores alos cohetes qumicos. Este tipo de cohetes se probaronpor primera vez en 1959 (el Kiwi 1), dentro del Proyec-to NERVA, cancelado en 1972. En 1990 se relanz elproyecto bajo las siglas SNTP (Space Nuclear ThermalPropulsion) dentro del proyecto para un viaje tripuladoa Marte en 2019. En 2003 comenz con el nombre deProyecto Prometeo. Otra de las posibilidades contempla-das es el uso de un reactor nuclear que alimente a un

Recreacin artstica del Proyecto Orin.

propulsor inico (el Nuclear Electric Xenon Ion Systemo 'NEXIS').El Proyecto Orin[12] fue un proyecto ideado porStanisaw Ulam en 1947, que comenz en 1958 en la em-presa General Atomics. Su propsito era la realizacin deviajes interplanetarios de forma barata a una velocidad deun 10% de c. Para ello utilizaba un mtodo denominadopropulsin nuclear pulsada (External Pulsed Plasma Pro-pulsion es su denominacin ocial en ingls). El proyectofue abandonado en 1963, pero el mismo diseo se ha uti-lizado como base en el Proyecto Daedalus[13] britnicocon motor de fusin, el Proyecto Longshot[14] americanoconmotor de sin acoplado a unmotor de fusin inercialo el Proyecto Medusa.Tambin se ha propuesto el uso de RTG como fuente paraun cohete de radioistopos.[15]

3.2.3 Automvil nuclear

La nica propuesta conocida es el diseo conceptual lan-zado por Ford en 1958: el Ford Nucleon.[16] Nunca fueconstruido un modelo operacional. En su diseo se pro-pona el uso de un pequeo reactor de sin que podaproporcionar una autonoma de ms de 8.000 km. Unprototipo del coche se mantiene en el museo Henry Ford.Una opcin, incluida en las alternativas al petrleo, esel uso del hidrgeno en clulas de combustible comocombustible para vehculos de hidrgeno. Se est inves-tigando en este caso el uso de la energa nuclear pa-ra la generacin del hidrgeno necesario mediante reac-ciones termoqumicas o de electrlisis con vapor a altatemperatura.[17][18]

3.3 Generacin de electricidadProbablemente, la aplicacin prctica ms conocida de laenerga nuclear es la generacin de energa elctrica pa-ra su uso civil, en particular mediante la sin de uranio

14 3 TECNOLOGA NUCLEAR

enriquecido. Para ello se utilizan reactores en los que sehace sionar o fusionar un combustible. El funcionamien-to bsico de este tipo de instalaciones industriales es si-milar a cualquier otra central trmica, sin embargo po-seen caractersticas especiales con respecto a las que usancombustibles fsiles:

Se necesitan medidas de seguridad y control muchoms estrictas. En el caso de los reactores de cuartageneracin estas medidas podran ser menores,[19]mientras que en la fusin se espera que no seannecesarias.[20]

La cantidad de combustible necesario anualmenteen estas instalaciones es varios rdenes de magnitudinferior al que precisan las trmicas convencionales.

Las emisiones directas de CO2 y NO en la genera-cin de electricidad, principales gases de efecto in-vernadero de origen antrpico, son nulas; aunque in-directamente, en procesos secundarios como la ob-tencin de mineral y construccin de instalaciones,s se producen emisiones.[21]

3.3.1 A partir de la sin

Tras su uso exclusivamente militar, se comenz a plantearla aplicacin del conocimiento adquirido a la vida civil.El 20 de diciembre de 1951 fue el primer da que se con-sigui generar electricidad con un reactor nuclear (en elreactor estadounidense EBR-I, con una potencia de unos100 kW), pero no fue hasta 1954 cuando se conect ala red elctrica una central nuclear (fue la central nuclearsovitica Obninsk, generando 5 MW con solo un 17% derendimiento trmico). El primer reactor de sin comer-cial fue el Calder Hall en Sellaeld, que se conect a lared elctrica en 1956. El 25 de marzo de 1957 se crela Comunidad Europea de la Energa Atmica (EURA-TOM), el mismo da que se cre la Comunidad Econ-mica Europea, entre Blgica, Francia, Alemania, Italia,Luxemburgo y los Pases Bajos. Ese mismo ao se creel Organismo Internacional de Energa Atmica (OIEA).Ambos organismos con la misin, entre otras, de impul-sar el uso pacco de la energa nuclear.Su desarrollo en todo el mundo experiment a partir deese momento un gran crecimiento, de forma muy par-ticular en Francia y Japn, donde la crisis del petrleode 1973 inuy denitivamente, ya que su dependenciadel petrleo para la generacin elctrica era muy marca-da (39 y 73% respectivamente en aquellos aos, en 2008generan un 78 y un 30% respectivamente mediante reac-tores de sin).[cita requerida] En 1979 el accidente de ThreeMile Island provoc un aumento muy considerable en lasmedidas de control y de seguridad en las centrales, sinembargo no se detuvo el aumento de capacidad instala-da. Pero en 1986 el accidente de Chernbil, en un reactorRBMK de diseo sovitico que no cumpla los requisitos

History of the Global Nuclear Power Industry

Three Mile IslandChernobyl Fukushima

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Active Reactors

Evolucin de las centrales nucleares de sin en el mundo. Arri-ba: potencia instalada (azul) y potencia generada (rojo). Abajo:nmero de reactores construidos y en construccin (azul y grisrespectivamente).

de seguridad que se exigan en Occidente, cort drstica-mente ese crecimiento.En octubre de 2007 existan 439 centrales nucleares entodo el mundo que generaron 2,7 millones de MWh en2006. La potencia instalada en 2007 fue de 370.721MWe. En marzo de 2008 haba 35 centrales en construc-cin, planes para construir 91 centrales nuevas (99.095MWe) y otras 228 propuestas (198.995 MWe).[22] Aun-que solo 30 pases en el mundo poseen centrales nu-cleares, aproximadamente el 15% de la energa elctri-ca generada en el mundo se produce a partir de energanuclear.[23]

La mayora de los reactores son de los llamados de agualigera (LWR por su sigla en ingls), que utilizan comomoderador agua intensamente puricada. En estos reac-tores el combustible utilizado es uranio enriquecido lige-ramente (entre el 3 y el 5%).Ms tarde se plante aadir el plutonio sible generado( 23994 Pu ) como combustible extra en estos reactores desin, aumentando de una forma importante la ecien-cia del combustible nuclear y reduciendo as uno de losproblemas del combustible gastado. Esta posibilidad in-cluso llev al uso del plutonio procedente del armamentonuclear desmantelado en las principales potencias mun-diales. As se desarroll el combustible MOX, en el quese aade un porcentaje (entre un 3 y un 10% en masa)de este plutonio a uranio empobrecido. Este combusti-ble se usa actualmente como un porcentaje del combus-tible convencional (de uranio enriquecido). Tambin seha ensayado en algunos reactores un combustible mezclade torio y plutonio, que genera una menor cantidad deelementos transurnicos.Otros reactores utilizan agua pesada como moderador.En estos reactores se puede utilizar uranio natural, es de-cir, sin enriquecer y adems se produce una cantidad bas-tante elevada de tritio por activacin neutrnica. Este tri-tio se prev que pueda aprovecharse en futuras plantas de

3.3 Generacin de electricidad 15

fusin.Otros proyectos de sin, que no han superado hoy enda la fase de experimentacin, se encaminan al diseo dereactores en los que pueda generarse electricidad a partirde otros istopos, principalmente el 23290 Th y el 23892 U .

Tipos de reactores

La diferencia bsica entre los distintos diseos de reac-tores nucleares de sin es el combustible que utilizan.Esto inuye en el tipo de moderador y refrigerante usa-dos. De entre todas las posibles combinaciones entre tipode combustible, moderador y refrigerante, solo algunasson viables tcnicamente (unas 100 contando las opcio-nes de neutrones rpidos). Pero solo unas cuantas se hanutilizado hasta el momento en reactores de uso comercialpara la generacin de electricidad (ver tabla).El nico istopo natural que es sionable con neutronestrmicos es el 23592 U , que se encuentra en una proporcinde un 0.7% en peso en el uranio natural. El resto es 23892 U ,considerado frtil, ya que, aunque puede sionar con neu-trones rpidos, por activacin con neutrones se convierteen 23994 Pu , que s es fsil mediante neutrones trmicos.Los reactores de sin comerciales, tanto de primera co-mo de segunda o tercera generacin, utilizan uranio congrados de enriquecimiento distinto, desde uranio natu-ral hasta uranio ligeramente enriquecido (por debajo del6%). Adems, en aquellos en los que se usa uranio en-riquecido, la conguracin del ncleo del reactor utili-za diferentes grados de enriquecimiento, con uranio msenriquecido en el centro y menos hacia el exterior. Estaconguracin consigue dos nes: por una parte disminuirlos neutrones de fuga por reexin, y por otra parte au-mentar la cantidad de 23994 Pu consumible. En los reacto-res comerciales se hacen sionar esos tomos sibles conneutrones trmicos hasta el mximo posible (al grado dequemado del combustible se le denomina burnup), ya quese obtienen mayores benecios cuanto ms provecho sesaca del combustible.Otro istopo considerado frtil con neutrones trmicos esel torio (elemento natural, compuesto en su mayora porel istopo 23290 Th ), que por activacin produce 23392 U , f-sil con neutrones trmicos y rpidos (es regla general queaquellos elementos con nmero atmico A impar sean -sibles, y con A par frtiles).Esos tres istopos son los que producen sionesexoergicas, es decir, generan ms energa que la necesariapara producirlas, con neutrones trmicos. Los dems ele-mentos (con z

16 3 TECNOLOGA NUCLEAR

o 23290 Th entre otros, no necesitan moderador para fun-cionar. Por ese motivo es difcil utilizar los mismos ma-teriales que se usan en los trmicos como refrigerantes,ya que en muchas ocasiones tambin actan como mo-derador. Todos los reactores de este tipo hasta el mo-mento han utilizado como refrigerante metales lquidos(mercurio, plutonio, yoduro potsico, plomo, bismuto,sodio...). Cuando estos reactores adems consiguen pro-ducir ms cantidad de material fsil que el que consumense les denomina reactores reproductores rpidos. En laactualidad existen 4 FBR, 3 en parada fra y solo uno enoperacin comercial.[25]

Los diseos de reactores que aprovechan las leccionesaprendidas en el medio siglo transcurrido (aproximada-mente una docena de diseos distintos) se denominande tercera generacin o reactores avanzados. Solo se hanpuesto en marcha algunos en Japn y se estn construyen-do algunos otros. En general son evoluciones de los reac-tores de segunda generacin (como el BWR avanzado oABWR o el PWR avanzado: el EPR o el AP1000), aun-que existen algunos diseos completamente nuevos (co-mo el PBMR que utiliza helio como refrigerante y com-bustible TRISO que contiene el moderador de grato ensu composicin).Los reactores de cuarta generacin no saldrn del papel almenos hasta el 2020, y en general son diseos que buscan,adems de niveles de seguridad superiores a las plantas desin de las generaciones anteriores, que los nicos resi-duos de alta actividad tengan vidas muy cortas, quemandolos actnidos de vida larga. A este grupo pertenecen porejemplo los reactores asistidos por acelerador (ADS). Engeneral estos reactores se basarn en neutrones rpidos.Existen algunos otros diseos, basados fundamentalmen-te en los descritos, para generar energa en lugares remo-tos, como el reactor otante ruso KLT-40S o el micro-rreactor nuclear de 200 kW de Toshiba.[26]

Seguridad[27][28]

Como cualquier actividad humana, una central nuclearde sin conlleva riesgos y benecios. Los riesgos debenpreverse y analizarse para poder ser mitigados. A todosaquellos sistemas diseados para eliminar o al menos mi-nimizar esos riesgos se les llama sistemas de protecciny control. En una central nuclear de uso civil se utilizauna aproximacin llamada defensa en profundidad. Estaaproximacin sigue un diseo de mltiples barreras paraalcanzar ese propsito. Una primera aproximacin a lasdistintas barreras utilizadas (cada una de ellas mltiple),de fuera adentro podra ser:

1. Autoridad reguladora: es el organismo encargado develar que el resto de barreras se encuentren en per-fecto funcionamiento. No debe estar vinculado a in-tereses polticos ni empresariales, siendo sus deci-siones vinculantes.

2. Normas y procedimientos: todas las actuaciones de-ben regirse por procedimientos y normas escritas.Adems se debe llevar a cabo un control de calidady deben estar supervisadas por la autoridad regula-dora.

3. Primera barrera fsica (sistemas pasivos): sistemasde proteccin intrnsecos basados en las leyes de laFsica que dicultan la aparicin de fallos en el siste-ma del reactor. Por ejemplo el uso de sistemas dise-ados con reactividad negativa o el uso de ediciosde contencin.

4. Segunda barrera fsica (sistemas activos): Reduc-cin de la frecuencia con la que pueden suceder losfallos. Se basa en la redundancia, separacin o di-versidad de sistemas de seguridad destinados a unmismo n. Por ejemplo las vlvulas de control quesellan los circuitos.

5. Tercera barrera fsica: sistemas que minimizan losefectos debidos a sucesos externos a la propia cen-tral. Como los amortiguadores que impiden una rup-tura en caso de sismo.

6. Barrera tcnica: todas las instalaciones se instalan enubicaciones consideradas muy seguras (baja proba-bilidad de sismo o vulcanismo) y altamente despo-bladas.

Adems debe estar previsto qu hacer en caso de que to-dos o varios de esos niveles fallaran por cualquier circuns-tancia. Todos, los trabajadores u otras personas que vivanen las cercanas, deben poseer la informacin y forma-cin necesaria. Deben existir planes de emergencia queestn plenamente operativos. Para ello es necesario quesean peridicamente probados mediante simulacros. Ca-da central nuclear posee dos planes de emergencia: unointerior y uno exterior, comprendiendo el plan de emer-gencia exterior, entre otras medidas, planes de evacuacinde la poblacin cercana por si todo lo dems fallara.

Grca con los datos de los sucesos noticados al CSNpor las centrales nucleares espaolas en el periodo 1997-2006.[29][30][31][32]

Aunque los niveles de seguridad de los reactores de ter-cera generacin han aumentado considerablemente con

3.3 Generacin de electricidad 17

respecto a las generaciones anteriores, no es esperableque vare la estrategia de defensa en profundidad. Por suparte, los diseos de los futuros reactores de cuarta ge-neracin se estn centrando en que todas las barreras deseguridad sean infalibles, basndose tanto como sea po-sible en sistemas pasivos y minimizando los activos. Delmismo modo, probablemente la estrategia seguida ser lade defensa en profundidad.Cuando una parte de cualquiera de esos niveles, compues-tos a su vez por mltiples sistemas y barreras, falla (pordefecto de fabricacin, desgaste, o cualquier otro moti-vo), se produce un aviso a los controladores que a su vezse lo comunican a los inspectores residentes en la centralnuclear. Si los inspectores consideran que el fallo pue-de comprometer el nivel de seguridad en cuestin elevanel aviso al organismo regulador (en Espaa el CSN). Aestos avisos se les denomina sucesos noticables.[33][34]En algunos casos, cuando el fallo puede hacer que al-gn parmetro de funcionamiento de la central supere lasEspecicaciones Tcnicas de Funcionamiento (ETF) de-nidas en el diseo de la central (con unos mrgenes deseguridad), se produce un paro automtico de la reaccinen cadena llamado SCRAM. En otros casos la repara-cin de esa parte en cuestin (una vlvula, un aspersor,una compuerta,...) puede llevarse a cabo sin detener elfuncionamiento de la central.Si cualquiera de las barreras falla aumenta la probabilidadde que suceda un accidente. Si varias barreras fallan encualquiera de los niveles, puede nalmente producirse laruptura de ese nivel. Si varios de los niveles fallan puedeproducirse un accidente, que puede alcanzar diferentesgrados de gravedad. Esos grados de gravedad se organi-zaron en la Escala Internacional de Accidentes Nucleares(INES) por el OIEA y la AEN, inicindose la escala en el0 (sin signicacin para la seguridad) y acabando en el 7(accidente grave). El incidente (denominados as cuandose encuentran en grado 3 o inferiores) ms grave ocurri-do en Espaa fue el de Vandells I en 1989, catalogado aposteriori (no exista ese ao la escala en Espaa) comode grado 3 (incidente importante).[35]

La ruptura de varias de estas barreras (no exista indepen-dencia con el gobierno, el diseo del reactor era de reacti-vidad positiva, la planta no posea edicio de contencin,no existan planes de emergencia, etc.) caus el accidentenuclear ms grave ocurrido: el accidente de Chernbil, denivel 7 en la Escala Internacional de Accidentes Nuclea-res (INES).

3.3.2 A partir de la fusin

Al igual que la sin, tras su uso exclusivamente militar,se propuso el uso de esta energa en aplicaciones civiles.En particular, los grandes proyectos de investigacin sehan encaminado hacia el desarrollo de reactores de fu-sin para la produccin de electricidad. El primer dise-o de reactor nuclear se patent en 1946,[7] aunque hasta

Maqueta de una seccin de ITER.

1955 no se denieron las condiciones mnimas que debaalcanzar el combustible (istopos ligeros, habitualmen-te de hidrgeno), denominadas criterios de Lawson, paraconseguir una reaccin de fusin continuada. Esas condi-ciones se alcanzaron por vez primera de forma cuasiesta-cionaria el ao 1968.La fusin se plantea como una opcin ms eciente (entrminos de energa producida por masa de combustibleutilizada) segura y limpia que la sin, til para el lar-go plazo.[36] Sin embargo faltan an aos para poder serutilizada de forma comercial (la fusin no ser comercialal menos hasta el ao 2050).[37] La principal dicultadencontrada, entre otras muchas de diseo y materiales,consiste en la forma de connar la materia en estado deplasma hasta alcanzar las condiciones impuestas por loscriterios de Lawson, ya que no hay materiales capaces desoportar las temperaturas impuestas.Se han diseado dos alternativas para alcanzar los crite-rios de Lawson, que son el connamiento magntico y elconnamiento inercial.Aunque ya se llevan a cabo reacciones de fusin de formacontrolada en los distintos laboratorios, en estos momen-tos los proyectos se encuentran en el estudio de viabili-dad tcnica en centrales de produccin elctrica como elITER o el NIF. El proyecto ITER, en el que participanentre otros Japn y la Unin Europea, pretende construiruna central experimental de fusin y comprobar su viabi-lidad tcnica. El proyecto NIF, en una fase ms avanzadaque ITER, pretende lo mismo en Estados Unidos usando

18 3 TECNOLOGA NUCLEAR

el connamiento inercial.Una vez demostrada la viabilidad de conseguir un reac-tor de fusin que sea capaz de funcionar de forma con-tinuada durante largos perodos, se construirn proto-tipos encaminados a la demostracin de su viabilidadeconmica.[38]

Tipos de reactores

Existen dos grandes grupos, separados por el mtodo em-pleado para alcanzar las condiciones de tiempo, densidady temperatura necesarias para que pueda alcanzarse la fu-sin controlada de forma continua:

1. Fusin mediante connamiento magntico.2. Fusin mediante connamiento inercial.

En el primer caso, en un recipiente donde se ha practica-do un vaco elevado, se eleva la temperatura de una mez-cla de deuterio-tritio mediante campos electromagnticoshasta convertirla en plasma.Tambin mediante campos electromagnticos se connael plasma en una regin lo ms pequea y alejada de lasparedes del recipiente que sea posible, aumentando deforma continua la densidad y la temperatura.A este tipo de fusin corresponden los diseos delTokamak, como el futuro ITER, o del Stellarator, comoel TJ-II espaol.En el segundo caso se hace incidir un haz de fotones o departculas cargadas (electrones o protones) muy energti-co e intenso sobre un blanco compuesto por el combusti-ble (deuterio-tritio actualmente). Ese haz puede estar en-focado de forma directa sobre el blanco, o bien de formaindirecta sobre un dispositivo denominado holraum cons-truido con un material de alto Z que genera a su vez unintenssimo campo de rayos X que est enfocado sobre elblanco.Hasta la dcada de los 70 no se desarrollaron lseres conlas potencias necesarias para conseguir iniciar la reaccin.En la actualidad se investiga en varios centros, pero a ni-vel nacional. Esto se debe a que el mecanismo emplea-do produce microexplosiones termonucleares, de formaque tanto el software empleado en clculos y simulacionestermohidrulicas, como los resultados obtenidos, puedenemplearse directamente en el armamento termonuclear.Por este motivo las instalaciones construidas hasta el mo-mento, adems de buscar la aplicacin civil mediante ge-neracin de electricidad, poseen una importante compo-nente militar ya que permiten, tras la prohibicin de en-sayos nucleares en supercie, realizar pruebas a escala di-minuta (para los parmetros del armamento nuclear).Aunque existen mltiples diseos tanto con el uso de l-seres como de aceleradores de partculas, los proyectosms importantes hasta el momento en el mundo son el

Holraum del NIF.

NIF de Estados Unidos y el LMJ francs, ambos diseosempleando lseres.

Seguridad

Aunque la misma losofa empleada en la sin puedeemplearse en los reactores de fusin, se ha planteado es-ta como una opcin no contaminante e intrnsecamentesegura. Desde el punto de vista de la seguridad, ya quelos reactores diseados necesitan un aporte exterior deenerga y de combustible, si existiera un accidente queprodujese el fallo de la mquina la reaccin se detendra,con lo que se hace imposible una reaccin en cadena des-controlada.El residuo principal de la reaccin de fusin deuterio-tritio sera el Helio, que es un gas noble y por tanto no in-teracciona con nada, incluido el organismo humano. Sinembargo las reacciones nucleares de fusin desprendenneutrones altamente energticos. Esto implica la produc-cin de materiales radiactivos por activacin neutrnica.Adems, en un ciclo deuterio-tritio, una parte del propiocombustible es tambin radiactivo (el tritio). Para mini-mizar los efectos, por tanto:

se debe reducir tanto como se pueda la cantidad dematerial radiactivo utilizado as como el generado enla propia instalacin;

se debe anular en lo posible el riesgo derivado de lamanipulacin de los materiales radiactivos genera-dos, ya sea en forma de combustible nuevo o reci-clado o como residuos radiactivos;

3.3 Generacin de electricidad 19

se deben denir cules son las mejores formas degestionar esos vertidos.

Para ello se est investigando en el uso de materiales debaja activacin, utilizando aleaciones que no son comu-nes en otras aplicaciones. Este aspecto podra disminuirla cantidad de residuos radiactivos generados, pero ade-ms en caso de accidente donde parte de los materia-les se fundieran por las altas temperaturas, el inventarioradiactivo emitido tambin sera menor. Adems, la es-trategia de diseo se centra en conseguir que todos losradioistopos generados sean de semiperiodo corto (me-nor de 10 aos). Si no se consiguiera, las estrategias aseguir seran idnticas a las estudiadas en el caso de losreactores de sin.Hasta los aos 1990 no se haba planteado realmente esteproblema, por lo que los materiales vlidos para la fu-sin se pensaba que eran los aceros austenticos (SS316Ly SS316-modTi) y ferrticos/martensticos (HT-9 y DIN1.1494/MANET). Las investigaciones se haban centra-do en la gestin de residuos, dejando de lado el estudio delos posibles accidentes. A partir de los 90 se plantea quedeban contemplarse varios problemas en la optimizacinde los materiales de baja activacin, subrayndose prin-cipalmente el aspecto de la seguridad frente accidentesadems del clsico de la gestin de los residuos. A par-tir de los aceros convencionales propuestos para fusin sepropusieron versiones de baja activacin, resultado de lasustitucin de elementos que daban lugar a una radiacti-vidad alta por otros metalrgicamente equivalentes y debaja actividad inducida.Las soluciones que se adopten en la fusin inercial o enla magntica en principio no tendrn que ser iguales. Asse han desarrollado aleaciones de vanadio, titanio y cro-mo que presentan mejores comportamientos en la fusininercial que en la magntica. Se sabe que los materialescermicos tienen mejor comportamiento que los acerosen ambos tipos de fusin.

3.3.3 Generacin de calor y electricidad a partir deotras reacciones nucleares

Un mtodo ampliamente utilizado en aquellas aplicacio-nes en las que se requiere un aporte elctrico de baja co-rriente, con una larga duracin, es el uso de Unidades decalor mediante radioistopos (RHU por sus siglas en in-gls) acoplados a una serie de termopares que proporcio-nan una corriente elctrica, los llamados generadores ter-moelctricos de radioistopos.En este caso se aprovecha la radiactividad emitida por losncleos de algunos istopos. Los istopos consideradosms interesantes para este tipo de aplicacin son aquellosque emiten partculas alfa (como por ejemplo el 241Amo el 210Po), ya que se reaprovechan ms ecientementelas radiaciones emitidas, y es ms sencillo su manejo. Sinembargo tambin se han utilizado emisores beta, como el

GTR para el Voyager.

90Sr.Estos generadores suelen poseer duraciones de varias d-cadas, y son extremadamente tiles en aplicaciones en lasque otras soluciones no sirven. Por ejemplo, en zonas don-de es difcil el mantenimiento o sustitucin de las bate-ras y adems no existe suciente luz solar o viento. Sehan utilizado en faros cercanos al polo norte en la antiguaUnin Sovitica y se utilizan frecuentemente en sondasespaciales. Una de sus aplicaciones ms curiosas puedeser su uso en marcapasos.En algunas sondas espaciales que deben permanecer amuy baja temperatura se utiliza simplemente su capaci-dad de generar calor, obviando la posibilidad de genera-cin elctrica.El 15 de octubre de 1997 se lanz la misin Cassini-Huygens con destino a Saturno y Titn, en la que se en-sambl uno de estos dispositivos.[39]

Seguridad

En estos dispositivos la seguridad se basa en dos sistemasprincipalmente:

Por un lado asegurar su integridad a partir de su vi-gilancia continua,

Por otro lado, conseguir que el material radiactivoempleado sea altamente inaccesible, mediante pro-tecciones, sellos o incluso utilizando composicionescermicas que no reaccionan fcilmente con otroselementos.

20 4 TRATAMIENTO DE RESIDUOS NUCLEARES

En el caso de los GTR situados en zonas de alta inaccesi-bilidad, como los utilizados en faros instalados cerca delos polos, se supona que la propia inaccesibilidad de laszonas aseguraba su integridad. Esto sin embargo no haimpedido que sucedieran varios accidentes.En el caso de los utilizados en satlites espaciales, la se-guridad de los materiales radiactivos se asegura al mante-ner una vigilancia continua en las instalaciones, tanto enla construccin como en el montaje de los satlites. Unavez lanzados al espacio, evidentemente se hace imposi-ble su mal uso. Sin embargo, en algunas ocasiones se hanusado GTR en satlites en rbita alrededor de la Tierra.Cuando esa rbita se hace inestable es posible que el sa-tlite caiga de nuevo, fundindose en su mayor parte enla reentrada. Este, junto a un posible accidente en el lan-zamiento son los principales problemas de seguridad eneste caso. En total se han producido 6 accidentes cono-cidos de este tipo (el ltimo en 1996 en una sonda rusa).Para evitar la dispersin del material radiactivo que con-tienen se fabrican en materiales cermicos (insolubles yresistentes al calor), rodeado de una capa de iridio, otrade bloques de grato de alta resistencia y un gel que le daresistencia ante una posible reentrada en la atmsfera.Para los GTR utilizados como marcapasos el principalproblema se encuentra en la prdida de informacin acer-ca de los pacientes en los que se han utilizado, imposibili-tando as su debido seguimiento. Por este motivo, existela posibilidad de que el paciente, tras su fallecimiento,fuera incinerado, incinerando con ello el propio disposi-tivo y su material radiactivo.Las fuentes radiactivas de los GTR sobre los que se haperdido el control (principalmente tras la cada de laURSS) son el principal motivo de preocupacin por suposible uso en atentados terroristas (como parte de unabomba sucia), y por este motivo se realizan grandes es-fuerzos a nivel internacional por recuperarlas y ponerlasbajo control de nuevo.

4 Tratamiento de residuos nuclea-res

En general, cualquier aplicacin industrial generaresiduos. Todas las formas de generacin de energa nu-clear tambin los generan. Tanto los reactores nuclearesde sin o fusin (cuando entren en funcionamiento)como los GTR generan residuos convencionales queson trasladados a vertederos o instalaciones de reci-claje, residuos txicos convencionales (pilas, lquidorefrigerante de los transformadores, etc.) y residuosradiactivos. El tratamiento de todos ellos, con excepcinhecha de los residuos radiactivos, es idntico al que se daa los residuos del mismo tipo generado en otros lugares(instalaciones industriales, ciudades,...).Es diferente el tratamiento que se emplea en los residuos

radiactivos. Para ellos se desarroll una regulacin es-pecca, gestionndose de formas diferentes en funcindel tipo de radiactividad que emiten y del semiperiodoque poseen. Esta regulacin engloba todos los residuosradiactivos, ya procedan de instalaciones de generacinde electricidad, de instalaciones industriales o de centrosmdicos.Se han desarrollado diferentes estrategias para tratar losdistintos residuos que proceden de las instalaciones o dis-positivos generadores de energa nuclear:

Baja y media actividad.[40] En este caso se trata deresiduos con vida corta, poca radiactividad y emiso-res de radiaciones beta o gamma (pudiendo contenerhasta un mximo de 4000 Bq g1 de emisores alfade semiperiodo largo). Suelen ser materiales utili-zados en las operaciones normales de las centrales,como guantes, trapos, plsticos, etc. En general seprensan y secan (si es necesario) para reducir su vo-lumen, se hormigonan (jan) y se embidonan paraser almacenados durante un periodo de 300 o de 500aos, segn los pases, en almacenamientos contro-lados. En Espaa este almacenamiento se encuentraen la provincia de Crdoba (El Cabril).

Alta actividad.[40] Estos residuos tienen semiperio-do largo, alta actividad y contienen emisores de ra-diaciones alfa (si son de semiperiodo largo solo sisuperan concentraciones de actividad de 4000 Bqg1). Se generan en mucho menor volumen peroson altamente nocivos inmediatamente despus deser generados. Generalmente, aunque no son los ni-cos, se trata de las propias barras de combustible delos reactores de sin ya utilizadas. Para ellos se handesarrollado diversas estrategias:

Diagramamostrando varios sistemas de almacenamiento de resi-duos de alta actividad en el almacenamiento de YuccaMountain.

1. Almacenamiento temporal: en las piscinas de laspropias centrales (a veces llamados ATI), durante lavida de la central (habitualmente 40 aos), o en al-macenamientos construidos a propsito. En Espaa

21

an se encuentra en proyecto el ATC), el cual se em-plazar en la localidad de Villar de Caas (Cuenca)habiendo generado gran descontento entre la ciuda-dana al no haber consenso.

2. Reprocesamiento: en este proceso se lleva a cabouna separacin fsico-qumica de los diferentes ele-mentos, separando por una parte aquellos istoposaprovechables en otras aplicaciones, civiles o mili-tares (plutonio, uranio, cobalto y cesio entre otros).Es la opcin ms similar al reciclado. Sin embar-go en el proceso no todos los elementos recicladosson totalmente reaprovechables, como por ejemploel neptunio o el americio. Para estos, en un volumenmucho menor que el inicial, es necesario an el usode otras opciones como el almacenamiento geolgi-co profundo.

3. Almacenamiento Geolgico Profundo (AGP): esteproceso consiste en estabilizar las barras de com-bustible gastadas en contenedores resistentes a trata-mientos muy severos que posteriormente se introdu-cen en localizaciones similares a las minas, ya exis-tentes (como en el caso de minas profundas), o cons-truidas para tal n. Suelen estar en matrices geol-gicas de las que se sabe que han sido estables duran-te millones de aos. Las ms comunes son calizas,granticas o salinas. Los tcnicos estiman que estosAGP deberan poder preservar ntegros los residuosdurante los miles de aos en que sigan siendo t-xicos sin afectar a las personas de la supercie. Suprincipal defecto es que sera muy difcil o impo-sible recuperar estos residuos para su uso til en elcaso de que tcnicas futuras puedan aprovecharlosecientemente.

4. Transmutacin en centrales nucleares de nueva ge-neracin (Sistemas Asistidos por Aceleradores o enreactores rpidos): estos sistemas usan torio comocombustible adicional y degradan los desechos nu-cleares en un nuevo ciclo de sin asistida, pudiendoser una alternativa ante la dependencia del petrleo,aunque debern vencer el rechazo de la poblacin.El primer proyecto ser construido alrededor del2014 (Myrrha). Esta tcnica se estima aceptable pa-ra aquellos radioistopos de semiperiodo largo paralos que no se ha hallado ninguna aplicacin todava.Esos istopos ms problemticos son los transurni-cos como el curio, el neptunio o el americio. Sin em-bargo para emplear esta tcnica se precisan mtodosadicionales, como el reprocesado previo.[41][42]

Para gestionar los residuos radiactivos suele existir en ca-da pas un organismo creado exclusivamente para ello.En Espaa se cre la Empresa Nacional de Residuos Ra-diactivos, que gestiona los residuos radiactivos de todotipo generados tanto en las centrales nucleares como enel resto de instalaciones nucleares o radiactivas.

5 Regulacin nuclear

Junta de Gobernadores del OIEA.

La regulacin nuclear puede separarse en cuatro grandesgrupos:

1. Funciones de los reguladores nacionales,

2. Residuos,

3. Seguridad y

4. Proteccin radiolgica.

Las bases cientcas de toda la regulacin internacionalexistente se fundan en estudios propios y recopilacio-nes llevadas a cabo por la CIPR,[43] UNSCEAR[44] o elNAS/BEIR americano.[45] Adems de estos, existen unaserie de agencias de investigacin y desarrollo en seguri-dad, como pueden ser la AEN[46] o el EPRI.[47] A partirde todas ellas, existen dos organismos internacionales quedesarrollan las bases para la legislacin: el OIEA (a nivelinternacional)[48] y EURATOM (en Europa).[49]

Tambin existen algunos organismos nacionales, queemiten documentacin dedicada a cada uno de los cam-pos, que sirven de gua a otros pases. As ocurre porejemplo con la NCRP, la NRC o la EPA americanas, laHPA inglesa (antiguamente NRPB) o el CEA francs.Adems de estas regulaciones especcas, existen otrasleyes y acuerdos que tienen en mayor o menor medidarelacin con la energa nuclear. As por ejemplo las leyesde calidad del agua o la convencin OSPAR. Aunqueen el Protocolo de Kyoto, que trata sobre las industriasque emiten gases de efecto invernadero, no se mencionala energa nuclear, s aparece en otros documentos refe-rentes al calentamiento global antropognico. As, en losacuerdos de Bonn de 2001,[50] se establecieron los meca-nismos de compraventa de emisiones de gases de efectoinvernadero y los mecanismos de intercambio de tecno-logas, excluyendo ambos explcitamente a la energa nu-clear. De este modo, no se pueden reducir las cuotas deemisin de los pases altamente industrializados mediantela venta de tecnologa nuclear a pases menos desarrolla-dos, ni se pueden vender las cuotas de emisiones a pases

22 7 CONTROVERSIA SOBRE LA ENERGA NUCLEAR

que funden sus bajas emisiones en la energa nuclear. ElIPCC, sin embargo, s recomienda en su cuarto informeel uso de la energa nuclear como una de las nicas formas(junto a las energas renovables y la eciencia energtica)de reducir la emisin de gases de efecto invernadero.[51]

6 Situacin por pases

6.1 En Espaa

En 1965 se construy la primera central nuclear enEspaa, la Central nuclear Jos Cabrera. Actualmentese encuentran en funcionamiento siete reactores nuclea-res en Espaa: Almaraz I y II, Asc I y II, Cofrentes,Vandells II y Trillo.Se encuentran desmanteladas, en proceso de desmantela-miento o en parada denitiva por accidente, n de su vidatil o expiracin de licencia: Vandells I, Jos Cabrera ySanta Mara de Garoa.Se paralizaron las obras o se abandonaron los proyec-tos por la llamada moratoria nuclear de las centrales deLemniz, I y II, Valdecaballeros I y II, Trillo II, EscatrnI y II, Santilln, Regodola y Sayago.El porcentaje de energa elctrica producida en Espaa esmuy dependiente de la produccin hidroelctrica anual,la cual depende fuertemente de la pluviometra. As, enel ao 2002 un tercio, el 33,9% de la energa elctricaproducida en Espaa lo fue en nucleares con un total de63.016 GWh.,[52] mientras que en el ao 2009, el porcen-taje fue del 19 %.[53]

6.2 En Argentina

La Comisin Atmica de energa de Argentina (Comi-sin Nacional de Energa Atmica, CNEA) se cre en1950 y dio lugar a una serie de actividades centradas enla investigacin y desarrollo de la energa nuclear, inclu-yendo la construccin de varios reactores nucleares de in-vestigacin. Actualmente estn operando cinco reactoresde investigacin con la previsin de construir un sextoreactor.En 1964 Argentina empez a interesarse plenamente enla energa nuclear y realiz un estudio de viabilidad paraconstruir una planta en la regin de Buenos Aires de 300a 500 MW. La poltica del pas se basaba rmemente porel uso de reactores nucleares de agua pesada utilizandouranio natural como combustible. Las ofertas ms atrac-tivas y que nalmente se aceptaron fueron las de Canad yAlemania. Como resultado se construy la central nuclearAtucha en Lima, partido de Zrate, a 115 km al noroestede Buenos Aires.

6.3 En Japn

El Estado de Japn comenz su actividad con reactoresnucleares en la dcada de 1970, y a fecha de 2014 cuen-ta con 54 reactores nucleares en total. La energa nuclearlleg a producir el 30% de la electricidad en el pas. Sinembargo, en el ao 2011 el accidente de Fukushima y susconsecuencias llevaron al gobierno japons a cancelar elplan nuclear previsto, que proyectaba doblar el nmerode reactores en el pas, y a tomar la decisin prescindirde la energa nuclear. Actualmente (2014) solo se mantie-nen activos dos reactores en todo el pas, que el gobiernoconsidera seguros.

7 Controversia sobre la energa nu-clear

7.1 Ventajas

Las centrales nucleares generan aproximadamente un ter-cio de la energa elctrica que se produce en la UninEuropea, evitando as la emisin a la atmsfera de 700millones de toneladas de dixido de carbono por ao[cita requerida] y del resto de emisiones contaminantes aso-ciadas con el uso de combustibles fsiles.Por otra parte, la aplicacin de la tecnologa nuclear a lamedicina ha tenido importantes aportaciones: emisionesde radiacin para diagnstico, como los rayos X, y pa-ra tratamiento del cncer como la radioterapia; radiofr-macos, que principalmente consiste en la introduccin desustancias al cuerpo, que pueden ser monitoreadas desdeel exterior. En la alimentacin ha permitido, por mediode las radiaciones ionizantes, la conservacin de alimen-tos. Tambin se ha logrado un aumento en la recoleccinde alimentos, ya que se ha combatido plagas, que creabanprdidas en las cosechas.[cita requerida]

En la agricultura, se pueden mencionar las tcnicas ra-dioisotpicas y de radiaciones, las cuales son usadas paracrear productos con modicacin gentica, como dar ma-yor color a alguna fruta o aumentar su tamao.[cita requerida]

7.2 Desventajas

Existe un alto riesgo de contaminacin en caso deaccidente o sabotaje.

Se producen residuos radiactivos que son difciles dealmacenar y son activos durante mucho tiempo.

Tiene un alto y prolongado coste de las instalacionesy mantenimiento de las centrales nucleares.

Puede usarse con nes no paccos.

23

8 Referencias[1] En ingls estos signicados estn claramente diferencia-

dos por los trminos "nuclear energy" y "power energy",respectivamente.

[2] Tyler Miller, G. (2002). Introduccin a la ciencia am-biental. Madrid: Thomson. p. 116.

Quiz los tres mecanismos menos eca-ces en su consumo de energa que tienen am-plio uso en el mundo son [...] y las plantasde energa nuclear [...] (que desaprovechanel 86% de la energa de su combustible nu-clear y probablemente el 92% cuando se in-cluye la energa necesaria para manejar losresiduos radiactivos y desmantelar las centra-les nucleares fuera de uso).)

.

[3] Bulbulian, Silvia (1987). El descubrimiento de la radiac-tividad. En Fondo de Cultura Econmica. La radiactivi-dad. Phroneris, Biblioteca Digital (1 ed edicin). Nica-ragua. ISBN 968-16-2651-6.

[4] Los comienzos de la era atmica: Carta de Einstein a Roo-sevelt

[5] Web del proyecto Myrrha

[6] Condiciones de Lawson para construir un reactor de fusintil

[7] Resumen de la patente GB817681

[8] Energa nuclear