energia nuclear: historia

Manejo de Residuos Nucleares
CAPITULO I. ENERGIA NUCLEAR: HISTORIA
1.1.- Primeras Intuiciones Sobre la Estructura de la Materia
Desde de hace siglos, los griegos hablaban sobre la existencia de unas
partículas fundamentales que actuaban como elementos constituyentes de la
materia; la palabra átomo se empleaba para referirse a la parte de la materia
más pequeña que podía concebirse. Esa partícula fundamental se consideraba
indestructible. El conocimiento del tamaño y la naturaleza del átomo, avanzó
muy lentamente a lo largo de los siglos ya que la gente se limitaba a especular
sobre él. Con la llegada de la ciencia experimental en los siglos XVI y XVII, los
avances de la teoría atómica se hicieron más rápidos.
Hasta finales del siglo XIX no se descubrieron más datos sobre estos
elementos, como el cálculo de su tamaño medio, que se estimó en 10-8 cm de
diámetro. Una serie de descubrimientos importantes realizados en esa época,
dejó claro que el átomo no era una partícula sólida de materia que no pudiera
ser dividida en partes más pequeñas.
J.J. Thomson, junto con otros investigadores, descubrió en 1987 que los
átomos no eran divisibles como se creía, sino que podían ser separados en
componentes más pequeños. Asimismo descubrió la composición de los
átomos y la existencia de unas partículas que orbitaban en la zona exterior
denominadas electrones, cuya masa era mucho menor que la del núcleo; éste,
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por su parte, tenía carga positiva y su peso suponía casi la totalidad del átomo
en conjunto.
En 1986, el físico francés Antoine Henry Becquerel comprobó que
determinadas sustancias, como las sales de uranio generaban unos rayos
penetrantes de origen misterioso. El matrimonio de científicos franceses
formado por Marie y Pierre Curie aportó una contribución adicional a la
comprensión de esas sustancias “radioactivas”. Como resultado de las
investigaciones del físico británico Ernest Rutherford, se demostró que el uranio
y algunos otros elementos pesados, como el torio o el radio, emiten tres clases
diferentes de radiación inicialmente denominadas rayos alfa, beta y gamma.
Las dos primeras que según se averiguó están formadas por partículas
eléctricamente cargadas, se denominan actualmente partículas alfa y beta.
Posteriormente se comprobó que las partículas alfa son núcleos de helio y las
partículas beta son electrones. Estaba claro que el átomo se componía de
partes más pequeñas. Los rayos gamma fueron finalmente identificados como
ondas electromagnéticas, similares a los rayos X, pero con menor longitud de
onda.
Partiendo de la base de que el átomo consta de un núcleo de gran
tamaño sobre el que orbitan los electrones, Ernest Rutherford, desarrolló en
1911 un modelo basado en un sistema solar en miniatura, en el que el núcleo
era una estrella (un sol) y los electrones, los planetas (FIGURA 1.1). La
explicación de su teoría tenía sin embargo dos errores: que los electrones
emitirían energía al girar, disminuyendo su velocidad y cayendo al núcleo;
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erróneo porque los electrones ocupan órbitas fijas. Otro error consistía en que
los electrones podían saltar de una órbita a otra cualquiera alrededor del
núcleo; sin embargo, se comprobó que los electrones sólo podían ocupar
determinadas órbitas siempre iguales.
Fig. 1.1.- Las partes de un átomo
Niels Bohr anunción en 1913 establece una nueva teoría atómica para
dar solución a los fallos de la teoría de Rutherford; que consistía en un sistema
con un pequeño núcleo alrededor del cual giraban los electrones, pero con
órbitas que obedecían ciertas reglas restrictivas. La teoría de Bohr, a pesar de
los adelantos en las explicaciones sobre la estructura de la materia también
contenía errores, aunque hoy es aceptada en términos generales.
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1.2.- Primeros Experimentos de Fisión Nuclear.
En 1919, Rutherford expuso gas nitrógeno a una fuente radioactiva que
emitía partículas alfa. Algunas de estas partículas colisionaban con los núcleos
de los átomos de nitrógeno. Como resultado de estas colisiones, los átomos de
nitrógeno se transformaban en átomos de oxígeno. El núcleo de cada átomo
transformado emitía una partícula cargada positivamente. Se comprobó que
esas partículas eran idénticas a los núcleos de átomos de hidrógeno. Se les
denominó protones. Las investigaciones posteriores demostraron que los
protones formaban parte de los núcleos de todos los elementos.
La siguiente operación después de establecerse el sistema de órbitas
electrónicas, era determinar la estructura del núcleo. En estado normal, un
átomo no posee carga eléctrica, sin embargo, se observó que la carga del
núcleo era positiva y siempre múltiplo de la carga del electrón; así pues, se
concluyó que el núcleo estaba compuesto por un conjunto de partículas, cada
una de ellas con igual carga que el electrón, pero positiva: los protones. Según
este planteamiento, los átomos tienen el mismo número de electrones que de
protones para poder mantener su carga neutra, es decir, carga negativa en los
electrones, iguales a cargas positivas en los protones. El hidrógeno posee un
electrón en su órbita, por tanto, posee igualmente un protón en su núcleo; se
dedujo así que el peso del protón era aproximadamente dos mil veces superior
al del electrón; sin embargo, esta medida no se corresponde con la de otros
elementos atómicos.
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La incógnita de las masas quedó despejada en 1932, cuando el físico
británico James Chadwick, de la Universidad de Cambridge, descubrió en el
núcleo, otra partícula que tiene exactamente la misma masa del protón, pero
carece de carga eléctrica. Entonces se vio que el núcleo está formado por
protones y neutrones. En cualquier átomo dado, el número de protones es igual
al número de electrones y por tanto, al número atómico del átomo.
La teoría moderna se basa en la idea de que los núcleos están formados
por neutrones y protones que se mantienen unidos por fuerzas “nucleares”
extremadamente poderosas. Para estudiar estas fuerzas nucleares, los físicos
tienen que perturbar los neutrones y protones bombardeándolos con partículas
extremadamente energéticas. Estos bombardeos han revelado más de 200
partículas elementales, minúsculos trozos de materia, la mayoría de los cuales,
sólo existe durante un tiempo mucho menor a una cienmillonésima de segundo.
Este mundo subnuclear salió a la luz por primera vez en los rayos
cósmicos. Estos rayos están constituidos por partículas altamente energéticas
que bombardean constantemente la tierra desde el espacio exterior; muchas de
ellas atraviesan la atmósfera y llegan incluso a penetrar la corteza terrestre. La
radiación cósmica incluye muchos tipos de partículas, de las que algunas,
tienen energías que superan con mucho a las logrados en los aceleradores de
partículas.
Cuando estas partículas de alta energía chocan contra los núcleos,
pueden crearse nuevas partículas. Entre las primeras en ser observadas
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estuvieron los “muones” detectados en 1937. El muón es esencialmente un
electrón pesado y puede tener carga positiva o negativa. Es aproximadamente
200 veces más pesado que un electrón. La existencia del “pión” fue profetizada
en 1935 por el físico japonés Yukawa Hideki, y fue descubierto en 1947. Según
la teoría más aceptada, las partículas nucleares se mantienen unidas por
“fuerzas de intercambio” en las que intercambian constantemente piones
comunes a los neutrones y los protones. La unión de los protones y los
neutrones a través de los piones es similar a la unión de una molécula de dos
átomos que comparten o intercambian un par de electrones común. El pión es
aproximadamente 270 veces más pesado que el electrón, y puede tener carga
positiva, negativa o nula.
1.3.- Liberación de Energía Nuclear
En 1905, Albert Einstein (FOTO 1.1.) desarrolló la ecuación que
relaciona la masa y la energía E=mc2, como parte de su teoría de la relatividad
especial.
Foto 1.1.- A. Einstein
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Dicha ecuación afirma que una masa determinada (m) está asociada con
una cantidad de energía (E) igual a la masa multiplicada por el cuadrado de la
velocidad de la luz (c). Así, una cantidad muy pequeña de masa equivale a
una enorme cantidad de energía. Como más del 99% de la masa del átomo
reside en su núcleo, cualquier liberación de grandes cantidades de energía
atómica debe provenir del núcleo. Einstein dio el paso entre la determinación
de la estructura de la materia y la teoría para la obtención de la energía nuclear
por fisión. Los experimentos sobre esta teoría demostraron que al bombardear
un átomo pesado con otra partícula, las diversas partes en que se separaba el
núcleo tenían en conjunto masas menores que las del núcleo original,
liberándose por tanto una cantidad de energía.
Con el éxito de la ejecución de la teoría de Einstein se había encontrado
una fuente de energía de enormes posibilidades, sin embargo en la práctica
aún era inviable, ya que experimentalmente siempre se consumía mayor
cantidad de energía de la que se producía. Estas limitaciones quedaron
arrinconadas en 1939, cuando Lise Meitner y Otto Hahn descubrieron la
facilidad con que podía ser partido en dos el núcleo de uranio mediante un
neutrón, el cual producía además otros tres neutrones en promedio que podían
dividir a su vez otros núcleos. Además, resultando un incremento sustancial de
la radioactividad, dado que a la propia radioactividad natural del uranio y habría
que sumar la altísima radioactividad de los dos nuevos átomos generados.
Hay dos procesos nucleares que tienen gran importancia práctica porque
proporcionan cantidades enormes de energía: la fisión nuclear – la escisión de
un núcleo pesado en dos núcleos más ligeros – y la fusión termonuclear – la
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unión de dos núcleos ligeros (a temperaturas extremadamente altas) para
formar un núcleo más pesado.
El físico estadounidense de origen italiano Enrico Fermi logró realizar la
fisión en 1934, pero la reacción no se reconoció como tal hasta 1939, cuando
los científicos alemanes Otto Hahn y Fritz Strassmann anunciaron que habían
fisionado núcleos de uranio bombardeándolos con neutrones. Esta reacción
como se mencionó libera a su vez neutrones, con lo que se puede causar una
reacción en cadena con otros núcleos. En la explosión de una bomba atómica
se produce una reacción en cadena incontrolada. Las reacciones controladas,
por otra parte, pueden utilizarse para producir calor y generar así energía
eléctrica, como ocurre con los reactores nucleares.
1.4.- Expectativas
A mediados del siglo XX se comenzaba a confiar en la energía nuclear
como la fuente que traería consigo el fin de todos los problemas inherentes a la
escasez de combustibles fósiles. La notable rentabilidad de la fisión nuclear
traería consigo el abaratamiento de la energía eléctrica y crearía expectativas
de un futuro prometedor para el sector industrial, al no depender de recursos
energéticos inestables o escasos.
Aquella creencia de que el ser humano se encontraba ante una energía
poderosa, demostrada sobradamente en el terreno militar (FOTO 1.2), pasó a
un estado de euforia inicial en la opinión pública, a las sospechas y reservas
conforme se iban conociendo los riesgos que presentaban las centrales
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nucleares para los organismos vivos, no sólo en lo que respecta a la
radioactividad presente en el proceso, sino también en los peligrosos residuos
generados y las complicaciones para su resguardo seguro.
Foto 1.2.- Explosión Nuclear.
Además, las temidas armas nucleares utilizaban el mismo tipo de
elementos radioactivos (uranio 235 y plutonio 239); aquí, el riesgo de que los
materiales radioactivos originalmente producidos para la generación de energía
nucleoeléctrica, se aplicasen en el desarrollo de armamento atómico a nivel
mundial.
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