Tema 7: Energía Nuclear. Contaminación nuclear.

1. Origen de la energía nuclear.

La Energía nuclear es la energía almacenada en el núcleo de los átomos y que se libera en las reacciones nucleares de fisión y de fusión.En estas reacciones se produce energía por la relación existente entre la masa y la energía, que viene dada por la ecuación de Einstein:

E = m · c2

Donde E es la energía, que se mide en julios (J), m es la masa y se mide en kilogramos (kg) y c es la velocidad de la luz (300.000.000 m/s). Todas las magnitudes deben tener sus unidades en el Sistema Internacional.

Energía nuclear controlada en unacentral nuclear

Energía nuclear incontrolada enuna bomba atómica

2. Estructura del átomo

Ya desde la antigüedad se sospechaba que la material estaba formada por constituyentes más pequeños. En el año 400 a. C. un griego llamado Demócrito propuso que todos los cuerpos materiales están formados por muchas partículas indivisibles, a las que denominó átomos. De hecho, el significado en griego de la palabra átomo es indivisible, pues proviene de a- 'no' y tómo- 'parte, trozo, porción'. En la actualidad se sabe que el átomo se puede dividir en partículas más pequeñas.

A lo largo de la historia se han propuesto ideas sobre cómo pueden ser los átomos. Cada una de esas ideas se denomina modelo atómico.

Un modelo muy sencillo y bastante completo, que permite explicar muchas características de las sustancias es el que propuso en el siglo XX Ernest Rutherford. Según este científico los átomos que constituyen la materia tienen la siguiente estructura:Podemos distinguir dos partes en el átomo: un núcleo central y una corteza exterior.

Núcleo: en cada átomo hay un único núcleo que se encuentra en el centro del átomo. En el núcleo se encuentran los protones y los neutrones:

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Protones: son partículas con carga eléctrica positiva. Como tienen todos carga positiva, y están muy cerca unos de otros, se produce una fuerte repulsión entre ellos.

Neutrones: son partículas neutras, es decir, sin carga eléctrica. Su masa es muy parecida a la de los protones. La función de los neutrones es la de ser un “pegamento” que mantiene unidos a los protones. De esta forma se evita que el núcleo se destruya por la repulsión entre los protones.

Corteza: es donde se encuentran los electrones, que están girando alrededor del núcleo. Tienen carga eléctrica negativa. La masa de los electrones es muy pequeña comparada con la de los protones, es una 2000 veces más pequeña.Como la carga de los electrones y los protones es de signo contrario existe una fuerza de atracción entre ellos. Esa fuerza de atracción es la que mantiene a los electrones unidos al átomo y evita que salgan despedidos aunque giren a gran velocidad.

De este modelo se deducen dos consecuencias: La mayor parte del átomo está vacía. Prácticamente toda la masa de un átomo se encuentra en el núcleo.

Si consideramos que un átomo tuviera el tamaño de un campo de futbol, su núcleo sería del tamaño de una pelota de tenis colocada en el centro.La carga total del núcleo es positiva, la carga total de la corteza es negativa y la carga total del átomo se compensa entre ambas, siendo neutra. Es decir, por ejemplo el átomo de carbono tiene 6 protones, por lo que también tiene 6 electrones girando alrededor del núcleo. De tal forma que el átomo de carbono resulta neutro.

3. Tipos de procesos para la obtención de la energía nuclear.

3.1. Reacción nuclear de Fisión

La Fisión nuclear consiste en la fragmentación (ruptura) de un núcleo "pesado" en otros dos núcleos más pequeños. Un núcleo pesado es aquel que tienen muchos protones y neutrones. Además de quebrarse en dos núcleos más pequeños se liberan al mismo tiempo varios neutrones.

En el proceso de fisión nuclear, hacemos impactar un neutrón contra un núcleo de uranio o plutonio. Este núcleo se rompe en dos núcleos de elementos más ligeros (cesio, bario, kriptón…), y desprende además un números determinado de neutrones (2 ó 3). También desprende mucha energía. Estos neutrones emitidos pueden servir para fisionar (romper) otros núcleos de uranio o plutonio. Con lo que se origina una reacción en cadena. De esta forma lo que obtendríamos sería una bomba atómica.

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Pero si lo que queremos es obtener energía en una central nuclear hay que controlar el número de neutrones que se obtienen cuando se fisiona un núcleo atómico.

Bomba de fisión nuclear

Las reacciones nucleares incontroladas se dan en el caso de armas nucleares.Si en cada fisión provocada por un neutrón se liberan dos neutrones más, entonces el número de fisiones se duplica en cada paso. Cada una de esas duplicaciones se llama “generación”. Por tanto, el número de núcleos de uranio que se fisionan va aumentando de la forma 2, 4, 8, 16, 32… Sigue una progresión que viene dada por la fórmula 2n donde “n” es el número de la generación. Así por ejemplo en la décima generación el número de núcleos que se fisionan es 210 = 1.024. Y en la generación 5 es de 1.125.899.906.842.624 núcleos. En la bomba de Hiroshima llegaron a producirse 81 generaciones, por tanto se fisionaron 2.417.851.639.229.258.349.412.352 (más de dos cuatrillones de núcleos). Se estima que instantáneamente la temperatura se elevó a más de un millón de grados centígrados, lo que incendió el aire circundante, creando una bola de fuego de 256 metros de diámetro aproximadamente en menos de un segundo.

El poder de destrucción de una bomba de fisión se mide generalmente en kilotones. Un kilotón es equivalente al efecto de mil toneladas de TNT (un millón de kilogramos de trinitroglicerina). La potencia de la bomba que explosionó en Hiroshima, conocida como Little Boy y hecha de uranio, fue de 16 kilotones de TNT; y la de Nagasaki, conocida como Fat Man y basada en polonio, de 21 kilotones de TNT.

La fisión nuclear controlada

Para mantener un control sostenido de una reacción nuclear de fisión, por cada 2 ó 3 neutrones puestos en libertad, sólo a uno se le debe permitir chocar con otro núcleo de uranio. Si esta relación es inferior a uno entonces la reacción se va a parar. Y si es más grande la reacción va a crecer sin control (produciendo una explosión atómica). Para controlar la cantidad de neutrones libres durante la reacción introducimos un elemento que tenga la capacidad de absorber neutrones. La mayoría de los reactores son controlados por medio de barras de control hechas de un material absorbente de neutrones, como el boro o el cadmio.

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3.2. Reacción nuclear de FusiónLa fusión nuclear es una reacción en la que dos núcleos de átomos ligeros, generalmente el hidrógeno, se unen para formar otro núcleo más pesado: el helio. Habitualmente esta unión va acompañada de la emisión de partículas (en el caso de núcleos atómicos de hidrógeno se emite un neutrón). Esta reacción de fusión nuclear libera una gran cantidad de energía.Para que los núcleos ligeros se unan, hay que vencer las fuerzas de repulsión que hay entre ellos (pues los núcleos tienen cargas positivas). Por eso, para iniciar este proceso hay que suministrar mucha energía (estos procesos se suelen producir a temperaturas muy elevadas, de millones de grados centígrados, como es el caso de las estrellas).

Isótopos del hidrógeno

El átomo de hidrógeno existe en la naturaleza de tres formas distintas: Formado por un protón y un electrón. Formado por un protón, un neutrón y un electrón: a este átomo de hidrógeno lo

llamamos Deuterio. Formado por un protón, dos neutrones y un electrón: a este átomo de hidrógeno lo

llamamos Tritio.

En las reacciones de fusión nuclear realmente no se utilizan átomos de hidrógeno que no tengan neutrones, pues los neutrones son necesarios para mantener “pegados” los protones. Por eso el átomo de helio tiene dos protones y dos neutrones. Sin los neutrones se rompería el núcleo.Por tanto en las reacciones de fusión realmente reaccionan dos átomos de deuterio, o un átomo de deuterio y un átomo de tritio. Si reaccionan dos átomos de deuterio, como cada átomo tiene un protón y un neutrón, no sobra ningún neutrón al formarse el helio. Pero si reaccionan un átomo de deuterio y un átomo de tritio entonces sobra un neutrón que es liberado:

Fusión nuclear en la naturaleza

Las estrellas, incluido el Sol, experimentan constantemente reacciones de fusión nuclear. La luz y el calor que percibimos del Sol es el resultado de estas reacciones nucleares de fusión: átomos de hidrógeno chocan entre sí y se fusionan sus núcleos, dando lugar a un núcleo más pesado de helio y liberando una enorme cantidad de energía. La energía liberada llega a la Tierra en forma de luz y calor.

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A las reacciones de fusión nuclear también se les llama reacciones termonucleares debido a las altas temperaturas que experimentan. En el interior del Sol, la temperatura es cercana a los 15 millones de grados centígrados.

Bomba de fusión nuclear (bomba H o bomba termonuclear)

Para lograr que se produzcan la fusión nuclear hay que conseguir que lleguen a ajuntarse protones que tienen carga positiva, y que por tanto se repelen entre ellos. Por eso es necesario mucha energía inicial para vencer esas fuerzas de repulsión entre los protones. Este motivo hace que las bombas de fusión nuclear necesitan que antes se produzcan una bomba de fisión nuclear. La primera etapa en una bomba H es una bomba de fisión. Se producen la ruptura de átomos pesados, liberando gran cantidad de energía y neutrones. Ahora esa gran cantidad de energía se aprovecha para inducir un proceso de fusión nuclear de átomos de deuterio y tritio, produciendo helio y mucha más cantidad de energía.

El poder de una bomba H se mide habitualmente en megatones. Un megatón equivale a un millón de toneladas de TNT, es decir, mil millones de kilogramos de TNT. Por tanto es mil veces más potente que una bomba de fisión nuclear. La bomba más potente jamás detonada ha sido la bomba del Zar, creada por la URSS y detonada en un archipiélago ruso situado en el océano ártico. Su potencia fue de 50 megatones.

4. Centrales nucleares.

Los elementos más importantes de un reactor nuclear son:Reactor: es donde se produce la reacción nuclear.Combustible: se encuentra lógicamente en el reactor. Puede ser uranio natural, óxido de uranio u óxidos de uranio y plutonioBarras de control: formadas por materiales absorbentes de neutrones, se insertan en el núcleo del reactor cuando es necesario frenar la reacción en cadena.Edificio de contención: estructura de hormigón, acero o una combinación de ambos, construida para encerrar en su interior el reactor nuclear.Refrigerante: su misión consiste en extraer el calor producido en la fisión. Los más utilizados son el agua y el CO2.

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El refrigerante pasa por el reactor y alcanza gran temperatura. Posteriormente el refrigerante calienta el agua de un segundo circuito. Esta agua pasa por una turbina y la hace girar a gran velocidad. La turbina está conectada a un generador eléctrico que es quien produce la electricidad.

5. Residuos radiactivos.

Las centrales nucleares producen residuos radiactivos durante su funcionamiento. Estos residuos nucleares se mantienen radiactivos durante decenas de miles de años, durante los cuales hay que almacenarlos y gestionarlos adecuadamente. Los residuos nucleares son uno de los principales problemas relacionados con la energía nuclear. Si estos residuos no se tratan debidamente, resultan altamente peligrosos para la población y el medio ambiente.Dos características hacen especiales a los residuos radiactivos:

Su gran peligrosidad. Cantidades muy pequeñas pueden originar dosis de radiación peligrosas para la salud humana

Su duración. Algunos de estos elementos permanecerán emitiendo radiaciones miles y decenas de miles de años

Clasificación de los residuos radiactivos

Los residuos radiactivos se pueden clasificar según su actividad en: Residuos nucleares de alta actividad: Son los que emiten altas dosis de radiación. Están

formados fundamentalmente por los restos que quedan del combustible de uranio utilizado en las centrales nucleares

Residuos nucleares de media actividad: emiten cantidades medias de radiación. Son átomos radiactivos producidos en el proceso de fisión nuclear.

Residuos nucleares de baja actividad: básicamente se trata de las herramientas, piezas de repuesto, ropas y material diverso utilizado para el mantenimiento de una central nuclear.

Gestión de los residuos radiactivos

Los protocolos para el tratamiento de los residuos nucleares depende de su nivel de actividad radiactiva:

Residuos nucleares de media y baja actividad

Se introducen en bidones de acero y se llenan de alquitrán, hormigón o cemento. Estos bidones se llevan a vertederos de seguridad donde se almacenan. Hasta los años 80 muchos países arrojaban estos bidones al mar, pero esta práctica por suerte fue prohibida.

En España, los bidones se trasladan al Centro de Almacenamiento de El Cabril (en Córdoba). Además de depositarse todos los residuos nucleares de todas las centrales

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nucleares españolas, también se depositan los residuos nucleares generados por la medicina, la investigación y la industria. Todos los almacenamientos de residuos nucleares están vigilados y controlados rigurosamente.

Residuos nucleares de alta actividad

Una vez se ha gastado el combustible en una central nuclear, se extrae del reactor para almacenarse temporalmente en una piscina de agua construida de hormigón y paredes de acero que se encuentra dentro de la central nuclear.

Posteriormente estos residuos se introducen en contenedores especiales capaces de resistir agentes muy corrosivos, el fuego, terremotos, grandes colisiones, etc.

En el futuro se tiene pensado almacenar estos contenedores en vertederos que deben estar construidos a gran profundidad (como minas), en lugares muy estables geológicamente (donde no se produzcan terremotos) y bien refrigerados (porque los isótopos radiactivos emiten calor). Es el Almacenamiento Geológico Profundo. Actualmente en España se va a construir un Almacén Temporal Centralizado (ACT) donde guardar, de manera provisional y segura, los residuos nucleares de alta actividad que actualmente se guardan en las piscinas de las centrales nucleares españolas. Este almacenamiento permitirá ganar tiempo hasta que se encuentre una ubicación adecuada para el Almacenamiento Geológico Profundo.

Ejercicios1) Si pudiéramos convertir toda la masa repentinamente en energía ¿qué energía se podría

obtener de 100 g de hidrógeno?

2) En una reacción de fisión nuclear se ha obtenido una energía de 192 · 10 11 J ¿qué cantidad de materia se ha transformado en energía?

3) ¿Qué diferencia hay entre fisión nuclear y fusión nuclear?

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4) Índica el nombre de las distintas partes de un átomo así como de las partículas que hay en cada parte:

1 →

2 →

3 → y

4 →

5 →

5) ¿Cuál es la diferencia entre la reacción de fisión nuclear que se da en una central nuclear y la que se da en una bomba atómica? Explícalo.

6) En una bomba de fisión nuclear ¿cuántos núcleos de uranio se habrán fisionado tras 50 generaciones?

7) Explica cómo se controla en las centrales nucleares las reacciones de fisión para que no sean explosivas.

8) ¿Cómo se llaman los isótopos del hidrógeno? Indica de cuántas partículas están formados cada uno.

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9) Indica el nombre de las distintas partes de una central nuclear que vienen numeradas:

1

2

3

4

5

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10) Explica cómo se obtiene energía eléctrica en una central nuclear.

11) a) ¿De qué están formados los residuos nucleares de alta actividad?

b) ¿Y los de media actividad?

12) ¿En qué se mide el poder de destrucción de una bomba de fisión nuclear?

¿Y de una bomba de fusión nuclear?

13) a) ¿Qué se hace con los residuos nucleares de alta actividad?

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b) ¿Y qué se hace con los residuos nucleares de media y baja actividad?

14) ¿Qué es el “Almacenamiento Geológico Profundo”?

15) a) La bomba Fat Man tenía una potencia de 21 kilotones ¿a cuántas toneladas de TNT equivale? ¿y a cuantos kilogramos de TNT?

b) La bomba del Zar tenía una potencia de 50 megatones ¿a cuántas toneladas de TNT equivale? ¿Y a cuantos kilogramos de TNT?

16) Indica si las siguientes reacciones nucleares son de fisión o de fusión nuclear: Reacción en una bomba nuclear de uranio

Reacción en una central nuclear

Reacción en el Sol

Reacción en una bomba nuclear de plutonio

Reacción en una bomba nuclear de hidrógeno (bomba H)

Reacción en una estrella

17) Responde las siguientes cuestiones:a) ¿Qué significa la palabra átomo?

b) ¿Con qué se controlan las reacciones de fisión de un reactor nuclear para que no sean ex-plosivas?

c) Cuántos neutrones tiene el tritio?

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d) ¿Qué se guarda en las piscinas de agua que hay en las centrales nucleares?

e) ¿Qué científico describió la estructura del átomo?

f) ¿Qué tiene más poder de destrucción, una bomba termonuclear o una bomba de fisión?

18) Indica si las siguientes reacciones nucleares son de fisión o de fusión nuclear:a) Deuterio + deuterio helio

b) Plutonio + neutrón bario + kriptón + 2 neutrones

c) Deuterio + tritio helio + neutrón

d) Uranio + neutrón xenón + circonio + 3 neutrones

19) Vocabulario científico: Define las siguientes palabras.a) Protón:

b) Barras de control:

c) Neutrón:

d) Edificio de contención:

e) Reactor nuclear:

f) Electrón:

g) Deuterio:

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20) ¿Cómo funciona una bomba H?

21) Completa el siguiente esquema sobre el átomo:

Átomo:

_______________: se encuentra en el centro del átomo y está formado por:

_______________: tienen carga _______________.

________________: no tienen carga.

______________: donde están los ______________: tienen carga _______________.

22) Describe la estructura del átomo según el modelo atómico de Rutherford (no olvides hablar sobre la carga y la masa de las partículas que lo forman).

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