Energía Nuclear

Toda la materia del universo está formada por moléculas que a su vez están constituidas

por átomos, pequeñísimas unidades que durante muchos tiempo se consideraron

invisibles. En la actualidad sabemos que el átomo está constituido fundamentalmente, por

un núcleo compuesto de protones, neutrones y electrones que giran alrededor de éste.

Los protones y los neutrones están constituidos por quarks.

El protón y el neutrón tienen prácticamente la misma masa, pero difieren en que el

primero posee una carga eléctrica positiva (+), mientras que el segundo carece de carga.

Protones y neutrones fuertemente unidos entre sí, integran lo que se denomina el núcleo

del átomo. Por eso se les llama nucleones.

La masa del núcleo es casi igual a la suma de las masas de los nucleones que lo

componen. La carga eléctrica total del núcleo es positiva y es igual a la suma de las

cargas de sus protones.

El tercer tipo de partícula del átomo es el electrón, el cual es 1840 veces más ligero que el

protón y posee una carga eléctrica negativa (-).

Los electrones se localizan girando alrededor del núcleo, formando lo que pudiéramos

llamar una “nube difusa”. La cantidad de electrones de un átomo es igual al número de

protones que contiene el núcleo, razón por la cual sus cargas eléctricas se encuentran

balanceadas.

Un enorme vacío separa a los electrones del núcleo atómico. Esto puede explicarse

recurriendo a la analogía entre el átomo de hidrogeno (el más simple que existe, pues

está compuesto por un solo protón y un electrón) y nuestro Sistema Solar. Si pudiéramos

amplificar al protón que constituye el núcleo de este átomo al tamaño del Sol, su único

electrón se encontraría girando a una distancia 30 veces mayor que la que existe entre

este astro y la Tierra.

En la naturaleza se conocen 103 elementos químicos plenamente identificados, cada

elemento está formado por átomos del mismo número atómico, pero que pueden tener

diferente número de masa. Estos elementos se originan de 272 átomos estables con

distintos números de masa.

Estos átomos de un mismo elemento reciben el nombre de isótopos. Así, el elemento

uranio, con numero atómico 92, por ejemplo, tiene fundamentalmente dos isótopos

naturales, cuyos números de masa son 235 y 238.

La energía nuclear está localizada en los núcleos de los átomos. Una reacción nuclear

consiste en la modificación de la cantidad de nucleones en un núcleo o su redistribución

en nuevos núcleos.

Así, es común referirse a la energía nuclear no sólo como el resultado de una reacción

sino como un concepto más amplio que incluye los conocimientos y técnicas que permiten

la utilización de esta energía por parte del ser humano. Los tres sistemas más

investigados y trabajados para la obtención de energía aprovechable a partir de la energía

nuclear son el decaimiento radiactivo, la fisión nuclear y la fusión nuclear.

Decaimiento Radioactivo

Es un proceso complejo en el cual el núcleo de un átomo emite a lo menos una partícula y

puede o no transformarse en otro elemento químico. Tiene su origen en el núcleo atómico

y está íntimamente relacionado con la estabilidad nuclear. La partícula emitida puede ser:

radiación gamma (γ).

radiación alfa (α).

radiación beta (ß).

Fisión Nuclear

Es una reacción nuclear, lo que significa que tiene lugar en el núcleo atómico. La fisión

ocurre cuando un núcleo pesado captura un neutrón y se divide en dos o más núcleos

ligeros, además de algunos subproductos como neutrones libres, fotones (generalmente

rayos gamma) y otros fragmentos del núcleo como partículas alfa (núcleos de helio) y

beta (electrones y positrones) de alta energía.

La fisión se puede inducir por varios métodos, incluyendo el bombardeo del núcleo de un

átomo fisionable con una partícula de la carga y la energía correcta; esta partícula es

generalmente un neutrón libre. Este neutrón libre es absorbido por el núcleo, haciéndolo

inestable (como una pirámide de naranjas en el supermercado llega a ser inestable si

alguien lanza otra naranja en ella a la velocidad adecuada).

El núcleo inestable entonces se partirá en dos o más pedazos: los productos de la fisión

que incluyen dos núcleos más pequeños, hasta siete neutrones libres (con una media de

dos y medio por reacción), y algunos fotones.

Fusion Nuclear

La fusión es el proceso por el cual dos núcleos atómicos se unen para formar un núcleo

más pesado. Se acompaña de la liberación de una cantidad enorme de energía.

La fusión nuclear se produce de forma natural en las estrellas. La fusión artificial también

se ha logrado en varias instalaciones experimentales, aunque todavía no ha se ha podido

obtenerla de manera sostenida. La energía solar que se recibe en la tierra es de origen

nuclear.

¿Para que se utiliza?

La principal aplicación de la energía nuclear es mediante la fisión nuclear controlada en

reactores nucleares en los que se producen reacciones nucleares de fisión de manera

controlada y se aprovecha la energía con la que son liberados los productos de fisión, los

neutrones y los fotones que se producen en cada fisión.

Esas partículas, al frenarse en la materia que las rodea, producen energía térmica. Esta

energía térmica se transforma en energía mecánica utilizando turbinas de gas o de vapor.

Dicha energía puede ser empleada en el transporte, como por ejemplo en los buques

nucleares, generación de energía eléctrica en centrales nucleares, desalar agua de mar,

producir hidrogeno, o para calefacción.

La principal característica de este tipo de energía es la alta cantidad de energía que

puede producirse por unidad de masa de material utilizado como combustible.

Energía Nuclear en México

El desarrollo de la energía nuclear en México data de los años 70's, motivado por el auge

internacional que se vivía en la industria nuclear, particularmente en Estados Unidos. A

raíz de este interés, se construyó en el sureño estado de Veracruz, Laguna Verde, la

única planta nuclear en México. Cuenta con dos boiling water reactors (BWR-5. Reactores

de agua hirviendo) construidos por General Electric, utilizan dióxido de uranio como

combustible; y aunque México cuenta con importantes reservas de uranio (cerca de 8 mil

toneladas), no puede utilizarlas ni exportarlas. Esta prohibición obedece al Tratado de

Tlateloco para la Proscripción de las Armas

Nucleares en América Latina y el Caribe, que entró en vigor en 19692.

Por lo tanto, para el uso de la planta, importa cerca de 25 toneladas anuales de este

mineral de Holanda y Estados Unidos. El primer reactor fue conectado a la red eléctrica

en 1989 y el segundo en 1995. Las turbinas de vapor y otros componentes de la planta

fueron elaborados por Mitsubishi Electric. Entre ambos reactores, producen hasta 1,365

MW, lo que representa solo el 2.6% de la capacidad instalada de energía eléctrica de un

total de 51,686 MW (en 2009). De este total, poco más del 70% son producidos con algún

tipo de hidrocarburo. La producción con fuentes renovables, excluyendo las grandes

hidroeléctricas (21.3%), representan menos del 2% (geotérmia 1.8%, éolica 0.16%).

Historia de la Energía Nuclear

En 1896, el físico francés Antoine-Henri Becquerel comprobó que determinadas

sustancias, como las sales de uranio, producían radiaciones penetrantes de origen

desconocido. Este fenómeno fue conocido como radioactividad.

Becquerel estaba trabajando en su laboratorio y dejó descuidadamente unas sales de

uranio junto a unas placas fotográficas que aparecieron posteriormente veladas, a pesar

de estar protegidas de la luz solar. Después de investigarlo se dio cuenta que el causante

fueron las placas era el uranio. Gracias a su descubrimiento Becquerel se convirtió en el

“padre de la energía nuclear”.

En la misma época, el matrimonio francés formado por Pierre y Marie Curie dedujeron con

sus investigaciones la existencia de otro elemento de actividad más elevada que el uranio,

que en honor a su patria fue llamado polonio. También fueron los descubridores de un

segundo elemento al que denominaron radio.

Estos tres elementos, por sus características, tomaran una gran importancia en el

desarrollo de la energía nuclear. Actualmente, el combustible de prácticamente todas las

centrales nucleares es el uranio.

Posteriormente, como resultado de las investigaciones de Rutherford y Soddy, se

demostraría que el uranio y otros elementos pesados, emitían tres tipos de radiaciones:

alfa, beta y gamma. Las dos primeras estaban constituidas por partículas cargadas,

comprobándose que las partículas alfa eran núcleos de átomos de helio y las partículas

beta eran electrones. Además, se comprobó que las radiaciones gamma eran de

naturaleza electromagnética.

El modelo atómico de Rutherford

El descubrimiento de la naturaleza de las radiaciones permitió a Rutherford estudiar la

estructura de la materia. Con sus experimentos pudo deducir que el átomo estaba

constituido por una zona central positiva donde se concentraba toda la masa y que los

electrones giraban en órbitas alrededor del núcleo, como si fuera un pequeño sistema

solar. Esto significaba que el átomo no era macizo como se creía hasta entonces.

El descubrimiento de la constante de Planck y la teoría cuántica

En 1900, el físico alemán Max Planck formuló que la energía se emite en pequeñas

unidades individuales conocidas como cuantos. Descubrió una constante de carácter

universal conocida como la constante de Planck, representada como h.

La ley de Planck establece que la energía de cada cuanto es igual a la frecuencia de la

radiación electromagnética multiplicada por dicha constante universal.

Los descubrimientos de Planck representaron el nacimiento de un nuevo campo para la

física, conocido como mecánica cuántica y proporcionaron las bases para la investigación

en campos como el de la energía nuclear.

La teoría de la relatividad de Albert Einstein

Albert Einstein es el científico más bien considerado de la historia del siglo XX. Einsten

propuso la conocida ecuación E=mc2 . Esta ecuación resultó ser revolucionaria para los

posteriores estudios de física nuclear, aunque en aquellos tiempos no se disponía de

medios para demostrarla experimentalmente. Así, E representa la energía y m la masa,

ambas interrelacionadas a través de la velocidad de la luz c. Esta ecuación relacionaba

las conversiones másicas de energía, de forma que se podía afirmar, que ambas

entidades eran distintas manifestaciones de una misma cosa.

El modelo atómico de Böhr

El físico danés Niels Böhr desarrolló en 1913 una hipótesis, según la cual los electrones

estaban distribuidos en capas definidas (o niveles cuánticos) a cierta distancia del núcleo.

De este modo se constituía la configuración electrónica de los distintos elementos.

Para Böhr, los electrones giraban en órbitas estacionarias desde las que no se emitía

ninguna radiación. De este modo, se enterraba el viejo concepto del átomo como algo

indivisible, inerte y simple, y apareciendo la hipótesis de una estructura compleja que

daría posteriormente complicadas manifestaciones energéticas.

El descubrimiento del neutrón

El descubrimiento del neutrón fue realizado por James Chadwick en 1932. Chadwick

“midió” la masa de la nueva partícula deduciendo que era similar a la del protón pero con

carga eléctricamente neutra. Así, se observó que el núcleo atómico estaba compuesto por

neutrones y protones, siendo el número de protones igual al de electrones.

Con su descubrimiento, Chadwick consiguió un “proyectil” de características ideales para

provocar reacciones nucleares.

El descubrimiento de la radioactividad artificial

El matrimonio formado por Frédèric Joliot e Irene Curie fueron los descubridores de la

radioactividad artificial.

Las conclusiones a las que llegó el matrimonio Joliot-Curie, se basaban en la idea de que

la radioactividad, hasta entonces de carácter natural, podía ser producida por el hombre,

construyendo elementos radiactivos mediante el bombardeo con partículas alfa de

algunos elementos químicos.

El descubrimiento de la fisión nuclear

A finales de 1938, en los umbrales de la Segunda Guerra Mundial, un equipo de

investigadores alemanes en el Kaiser Wilhem Institut de Berlín, integrado por Otto Hahn,

Fritz Strassmann, Lisa Meitner y Otto Frisch, interpretó el fenómeno de la fisión nuclear, a

través de la identificación del elemento bario como consecuencia de la escisión del núcleo

de uranio.

la fisión nuclear emite energíaLos primeros estudios sobre la fisión nuclear fueron

llevados a cabo por Otto Hahn y Lise Meitner, basándose en los resultados obtenidos por

el matrimonio Joliot-Curie, que mediante análisis muy cuidadosos, encontraron un

elemento de número atómico intermedio en una muestra de uranio bombardeado con

neutrones.

Lise Meitner y Otto Frisch pudieron deducir que al bombardear el uranio con neutrones,

éste capturaba un neutrón y se dividía en dos fragmentos, emitiendo de una gran cantidad

de energía. Era el descubrimiento de la la fisión nuclear.

La bomba atómica

Muchos de los grandes inventos de la historia tienen un origen militar. El caso de la

energía nuclear no es una excepción.

El Proyecto Manhattan

En 1939, en los inicios de la Segunda Guerra Mundial, Albert Einstein recomienda al

presidente de los Estados Unidos, F. D. Roosevelt, el desarrollo de la bomba atómica.

Einstein explicaba que gracias a los trabajos de investigación llevados a cabo por Enrico

Fermi y Leo Szilard, en los Estados Unidos, y por Frédéric Joliot y su esposa Irene Joliot-

Curie, en Francia, era casi seguro que muy pronto fuera posible desencadenar una

reacción nuclear en cadena que permitiera liberar unas grandes cantidades de energía.

Este procedimiento permitiría también la construcción de una nueva clase de bombas.

Einstein mencionaba también la escasez de reservas de uranio de los Estados Unidos y

que las minas de este mineral se encontraban en la antigua Checoslovaquia y en el

Congo Belga. Propuso la colaboración entre científicos y la industria para desarrollar lo

más pronto posible la mencionada bomba atómica.

Además, informó que Alemania había suspendido la venta de uranio de las minas checas,

de las que el Reich se había hecho cargo. Este hecho podría significar que los científicos

del Instituto Kaiser Wilhelm podrían estar llevando a cabo experimentos de fisión nuclear,

también.

El miedo de Albert Einstein a la guerra nuclear era consecuencia de su profundo

conocimiento de los avances de la investigación en este campo. Tuvo que emigrar a

Estados Unidos en 1933, desde Alemania, al comienzo de la persecución de los judíos.

De la carta de Albert Einstein:

“Trabajos recientes de E. Fermi y L. S. Szilard... me permiten suponer que el elemento

químico uranio... puede convertirse en una nueva fuente energética muy importante...

Durante los últimos cuatro meses la posibilidad de llevar a cabo una reacción nuclear en

cadena mediante una gran cantidad de uranio, ha aumentado; esta reacción daría lugar a

grandes cantidades de energía y a nuevos elementos semejantes al radio... Ese nuevo

fenómeno conduciría también a la construcción de bombas...

Teniendo en cuenta esta situación parece aconsejable mantener un cierto contacto entre

el gobierno y el grupo de físicos que trabaja en América con reacciones en cadena.

Un camino posible para lograrlo podría ser que usted trasladase este encargo a una

persona de su confianza.

Sus tareas podían ser en este aspecto las siguientes: ... asegurar el suministro de uranio

de los Estados Unidos... acelerar los trabajos experimentales... obtener fondos...”

Roosevelt acogió la carta de Einstein sin excesiva ilusión, aunque creó una comisión para

que se encargara de las cuestiones mencionadas por el científico en la misma.

Entre 1940 y 1941 empezaron a realizarse medidas en sistemas de uranio-grafito. Glen

Seaborg descubrió, a finales de 1940, un elemento artificial, el plutonio-239, que podría

emplearse para la fabricación posterior de la bomba atómica.

La fabricación de la bomba fue confiada al ejército, en un proyecto bélico que costaría

alrededor de 2.500 millones de dólares. El programa contemplaba dos alternativas: la

separación del uranio-235 del uranio-238, y la producción de plutonio-239 en los reactores

de grafito.

El 2 de diciembre de 1942, un grupo de físicos nucleares europeos, emigrados a los

Estados Unidos y dirigidos por el físico italiano Enrico Fermi, ponían en marcha la primera

reacción nuclear en cadena producida por el hombre en la historia de la energía nuclear

con la intención de aplicar por primera vez la energía nuclear. El reactor nuclear

empleado, conocido como Chicago Pile (CP-1), era de estructura sencilla, y se instaló

bajo la tribuna del estadio de fútbol americano de la Universidad de Chicago. Se empleó

combustible de uranio, como el que Fermi empleaba en sus experimentos en Roma, y

moderador de grafito.

Los preparativos para este experimento fueron llevados a cabo con gran secreto. El

objetivo de la investigación era la obtención de una reacción en cadena –en principio

controlada– que permitiera el estudio de sus propiedades en vistas al posible desarrollo

de una bomba atómica.

La reacción en cadena de fisión se inició una vez se extrajeron con mucho cuidado las

barras de control. En este momento, entró en funcionamiento el primer reactor nuclear de

la historia de la energía nuclear.

En 1943 fueron levantadas tres ciudades llenas de instalaciones de investigación: Oak

Ridge (Tennesse) para separar el uranio-235 del uranio-238, Hanford para el

establecimiento de los reactores nucleares, y Los Álamos para la construcción de la

bomba atómica. Robert Oppenheimer fue nombrado director del laboratorio de Los

Álamos, consiguiendo reunir a cerca de mil científicos que permanecerían allí hasta seis

meses después de acabada la contienda.

En la madrugada del 16 de julio de 1945, se llevó a cabo la primera prueba de la bomba

atómica de plutonio en el desierto de Álamogordo (Nuevo México), y resultó ser un

completo éxito.

La bomba atómica de uranio y la de plutonio estuvieron listas al mismo tiempo. La

primera, denominada Little Boy, constaba de dos masas de uranio-235 que se

proyectaban una sobre otra con explosivos convencionales.

La segunda, Fat Man, consistía en una esfera hueca de plutonio que colapsaba sobre su

centro por la acción de explosivos convencionales

El 6 de agosto de 1945, se lanzaron las dos bombas nucleares que alterar ían el rumbo de

la historia. Little Boy fue lanzada sobre Hiroshima desde el avión Enola Gay, y el 9 de

agosto, Fat Man fue arrojada sobre Nagasaki.

La nube de hongo creada por la bomba Fat Man como resultado de la explosión nuclear

sobre Nagasaki

Las ciudades japonesas de Hiroshima y Nagasaki se convirtieron así en los primeros y

hasta el momento los únicos objetivos de un ataque con bombas atómicas de la historia.

Las condiciones para la construcción de una bomba atómica, en la que trabajaron –sin

éxito– durante la Segunda Guerra Mundial algunos físicos soviéticos, como Igor

Vasilievich Kurchatov, fueron más estrictas de lo que se necesita para conseguir el

funcionamiento con éxito de un reactor nuclear.

La energía liberada durante una detonación de este tipo se reparte aproximadamente en

un 35% de radiación térmica, un 50% de presión y un 15% de radiación nuclear. Este

proceso hace que se alcancen temperaturas de hasta 14 millones de grados centígrados.

La bomba de Hiroshima liberó 23,2 millones de KWh.

La energía nuclear después de la Segunda Guerra Mundial

Tras el fin de la II Guerra Mundial, Norteamérica ostentaba la supremacía bélica debido a

su considerable potencial atómico. La complejidad existente en torno a las cuestiones

bélicas y civiles de la energía nuclear, exigía el establecimiento de una articulación legal

para las aplicaciones civiles en el país, y una regulación internacional a todos los niveles.

Aunque tuvieron lugar varias reuniones de carácter internacional, los Estados Unidos se

resistían a perder su protagonismo, y así lo hizo saber el Presidente Truman al declarar:

“Debemos constituirnos en guardianes de esta nueva fuerza, a fin de impedir su empleo

nefasto, y de dirigirla para el bien de la Humanidad [...]”.

En 1946, se presentó en las Naciones Unidas el plan norteamericano, que consistía en

una liberación gradual de los secretos, fábricas y bombas nucleares, cediendo todo ello al

organismo, a cambio de un control e inspección internacional.

Este control no fue bien recibido por la antigua Unión Soviética, cuyo representante,

Andrei Gromiko, presentó una contrapropuesta en la que se prohibía la construcción de

armas atómicas y se exigía la eliminación de las existentes a corto plazo. Después de

varios años de negociaciones, este primer plan de no proliferación nuclear fue un fracaso.

El Plan Marshall

En junio de 1947, nacía el Plan Marshall como una iniciativa de ayuda económica dentro

de la política estadounidense de contención del control soviético, al que se vieron

sometidos los Estados de Europa Central y Oriental, detrás de lo que se denominó “telón

de acero”. Este plan fue el disparador histórico de la Guerra Fría en la que se sucedieron

una serie de enfrentamientos entre estas dos superpotencias.

Nautilus es el primer submarino propulsado con energía nuclearAños más tarde, los

Estados Unidos construyeron varios reactores de plutonio, y en 1953, entró en

funcionamiento el prototipo en tierra del reactor del Nautilus, el primer submarino nuclear.

La primera bomba atómica soviética

Estos hechos acentuaron la tensa situación provocada por la explosión de la Bomba H

soviética. La idea de crear esta bomba era hacer un gran recipiente cil índrico con la

bomba atómica en un extremo y el combustible de hidrógeno en el otro. El estallido de la

bomba atómica proporcionaría una cantidad de radiación con presión suficiente para

comprimir y encender el hidrógeno.

Después de los esquemas preliminares de 1951, la bomba estuvo lista a principios de

1952, de modo que en noviembre de este mismo año, se ensayó pulverizando la Isla de

Elugelab, en el Océano Pacífico. Su potencia resultó ser 700 veces superior a la de la

bomba atómica de Hiroshima.

El 8 de diciembre de 1953, los Estados Unidos se dirigieron a las Naciones Unidas para

denunciar el equilibrio de terror en que vivía la población mundial, advirtiendo que si

Norteamérica era atacada con armas nucleares, la respuesta sería destruir al agresor de

forma inmediata.

Aprovechamiento de la energía nuclear para usos pacíficos

Con la intención de suavizar esta situación, se organizaron una serie de conferencias

internacionales de carácter técnico sobre los usos pacíficos de la energía nuclear. En esta

ocasión, las conversaciones entre los países desarrollados con un importante potencial

atómico fueron un completo éxito.

Aprovechando la nueva situación, el presidente norteamericano Eisenhower expuso

entonces en las Naciones Unidas su programa de cooperación internacional “Atoms for

Peace”. A partir de dicho programa, se liberaron una serie de conocimientos científicos y

tecnológicos que permitirían la posterior explotación comercial de la energía nuclear.

El discurso, que en diciembre de 2013 cumplió 60 años, y que fue pronunciado en un

momento de guerra fría, proponía un acuerdo entre las grandes potencias para detener y

reducir la fabricación de armamento nuclear y dar a conocer a toda la humanidad los

conocimientos y medios materiales, especialmente los combustibles nucleares, para su

uso con fines pacíficos.

Además, se favoreció la creación de organismos internacionales como el Organismo

Internacional de Energía Atómica (OIEA), en 1957, con sede en Viena, y la Agencia de

Energía Nuclear (AEN) integrada en la Organización para la Cooperación y el Desarrollo

Económico (OCDE), con sede en París.

No obstante, países como Reino Unido y la antigua Unión Soviética, habían comenzado

ya sus investigaciones destinadas al despliegue comercial de la energía nuclear.

Central de energía nuclear Calder HallEn 1956, los británicos inauguraron la primera

central nuclear de la historia en Calder Hall, dando origen a una serie de reactores

conocidos como de grafito-gas.

En 1963, General Electric fue la empresa encargada de construir una central de agua en

ebullición estrictamente comercial (Oyster Creek I), lo que supuso el principio de la

avalancha de solicitudes de construcción de centrales nucleares, fábricas de elementos

de combustible, y la investigación de métodos de almacenamiento y pequeñas plantas de

reelaboración.

Tratado definitivo de No Proliferación Nuclear

En 1967, el OIEA organizó un grupo de análisis de todos aquellos problemas técnicos que

pudiera contener un Tratado de No Proliferación Nuclear, que entraría en vigor en 1972.

Los países firmantes acordaron no transferir armas nucleares ni colaborar para su

fabricación, y se comprometieron a establecer las salvaguardias necesarias para su

cumplimiento.

Bibliografía

http://sociedadnuclear.org.mx/wp-content/uploads/2012/02/tema-1_16feb2012.pdf

http://energia-nuclear.net/que-es-la-energia-nuclear/historia