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Astronomía
La Energía Nuclear
Nota: Esta es una excursión a los fundamentos de la
energía nuclear, más allá del ámbito de "De
Astrónomos a Astronaves". Se incluye debido a que
la energía nuclear es importante en la sociedad
moderna y porque la sección S-7 "La Energía Solar"
ha proporcionado las ideas básicas. Tenga en cuenta
que aún sin matemática, puede ser un tema difícil y
que la exposición es bastante larga.
Las ideas de la sección S-7 se van a revisar a continuación.
El resto de la sección es una discusión cualitativa de los
procesos principales que están implicados en el uso de la
energía nuclear.
Revisión de la Estructura Nuclear
La forma en que el Sol genera su energía ayuda a entender
la forma en como lo hace una central nuclear. Sin embargo
los dos procesos son muy diferentes.
He aquí algunos hechos sobre la forma en que los protones y
los neutrones se combinan para formar los núcleos, como se
hizo en la sección S-7 sobre el Sol:
1.- Menos en su carga eléctrica, los protones y los
neutrones ("nucleones") son muy similares. Pueden
atraer otros nucleones y combinarse con ellos para
formar núcleos más pesados, un proceso que libera
energía. Por ejemplo, en el Sol pares de protones se
combinan con pares de neutrones para formar
núcleos de helio. En el proceso, las partículas
atómicas aumentan mucho su velocidad y es así
como se genera el calor en el Sol.
2.- Diferente de la fuerza de gravedad o de la
eléctrica, la fuerza nuclear es efectiva solo a
distancias muy cortas. A distancias mayores, los
protones se repelen entre si debido a su carga
positiva, las cargas de la misma naturaleza se
repelen.
3.- Por esta razón, los protones forman los núcleos
ordinarios de hidrógeno, p.e en un globo relleno de
hidrógeno, no se combinan para formar helio (un
proceso que también requiere algo para combinarse
con los electrones para formar neutrones). No se
acercan lo bastante para que actúe la fuerza
nuclear, que los atrae. Solamente en el centro del
Sol, bajo presiones y temperaturas extremas tiene
lugar ese proceso.
4.- Otros núcleos pequeños pueden igualmente
combinarse en otros mayores y liberar energía, pero
la combinación de estos núcleos libera mucha menos
energía. La razón es que mientras que el proceso
gana energía permitiendo que la atracción nuclear
haga su trabajo, necesita gastar energía en forzar a
juntarse a los protones cargados positivamente, que
también se repelen entre sí debido a su carga
eléctrica .
5.- Una vez que se alcanza el hierro, un núcleo con
26 protones, este proceso no gana más energía. En
los núcleos mayores la energía se pierde, no se gana
con la adicción de protones. Vencer la repulsión
eléctrica (que afecta a todos los protones del
núcleo) requiere más energía que la que se libera
por la atracción nuclear (efectiva mayoritariamente
entre vecinos cercanos). Normalmente la energía se
ganará rompiendo los núcleos mayores que el
hierro.
6.- En los mayores núcleos (elementos mayores que
el plomo), la repulsión eléctrica es tan fuerte que
algunos de ellos expelen de forma espontánea
fragmentos, normalmente núcleos de helio, que
forman combinaciones muy estables ("partículas
alfa"). Esta rotura espontánea es una de las formas
de radiactividad que se encuentra en los núcleos.
7.- Los núcleos mayores que el uranio rompen de
forma tan rápida que no se encuentran en la
naturaleza, aunque se pueden producir
artificialmente. Cuanto mayores sean, más rápida es
su decadencia.
En suma, los núcleos de hierro son los más estables, y las
mejores fuentes de energía son los núcleos mas pesados
que el hierro, cuanto más pesados mejor. Podemos
combinar los más ligeros, los núcleos de hidrógeno
(protones), para formar núcleos de helio, y es así como se
genera la energía en el Sol. O también se pueden romper los
más pesados, los núcleos de uranio, en elementos más
pequeños siendo así como lo hacen las compañías eléctricas
en las centrales nucleares.
¿Cuantos Protones, cuantos Neutrones?
Como se dijo anteriormente, los protones y los neutrones
("nucleones") son intrínsecamente similares y se pueden
convertir los unos en los otros absorbiendo o emitiendo un
electrón para mantener la carga eléctrica apropiada. ¿Qué es
lo que determina cuantos de cada hay en un núcleo?
La fuerzas nucleares prefieren, aparentemente, cantidades
iguales de cada tipo y los núcleos ligeros, el helio, carbón,
nitrógeno, oxígeno, mantienen normalmente una relación
50:50, aunque pueden existir variantes (isótopos) con
pequeñas desviaciones que también pueden ser estables.
En los núcleos pesados, debido a la repulsión eléctrica entre
los protones, esta igualdad no se mantiene. Imagine un
núcleo con 56 nucleones y suponga que podemos escoger
cuantos de su totalidad pueden ser neutrones o protones.
¿Cual será la combinación más estable?
Escoger 28 de cada tipo puede ser la unión nuclear más
estable, pero esto se contrarresta por la energía requerida
para mantener cercanos los 28 protones positivos. Así que la
naturaleza se arregla: la combinación preferida, el núcleo de
la forma más común del hierro, tiene 30 neutrones y solo 26
protones.
Cuando los núcleos se hacen mayores, la parte de protones
cae aún más, un 45% en los núcleos medios y menos del
40% en los más pesados, como el uranio. El uranio común
("U-238") tiene 92 protones y 146 neutrones, de un total de
238 nucleones. Como veremos, este cambio gradual en la
relación proton/neutron es esencial para la reacción
nuclear en cadena.
Fisión Nuclear
Los núcleos de uranio en la naturaleza son inestables. cada
uno de sus 92 protones repele al resto y antes o después (la
mitad de ellos en 4.500 millones de años) expulsan un
fragmento positivo, una "partícula alfa" que es otra forma
de llamar al movimiento rápido de núcleos de helio. Casi
todos los átomos de helio que se extraen del gas natural y
de las rocas, para llenar globos y otros usos, se originaron
como partículas alfa.
Pero existe una forma de acelerar esta rotura, exponiendo al
material a neutrones libres.
Los neutrones libres no se encuentran el la naturaleza (se
convierten en protones y electrones), pero se pueden
conseguir de átomos de berilio bombardeándolos con
partículas alfa procedentes de materiales radioactivos o
mediante otros métodos. Como solo son atraídos por los
núcleos (mientras que los protones son repelidos antes de
que se acerquen lo suficiente para que actúe la atracción
nuclear), pueden entrar fácilmente en el núcleo y pegarse a
él, algo así como los pequeños imanes se pegan a un trozo
de hierro.
Esta atracción libera energía. Si el núcleo es pesado e
inestable, como lo es el uranio, añadirle energía aún lo
desestabiliza más, por lo que se rompe inmediatamente. Lo
más interesante es la forma espectacular como se rompe,
como lo descubrieron Hahn y Meitner en 1939. En vez de
romper solo un pequeño trozo, el núcleo completo se divide
en 2 fragmentos equiparables, conteniendo 1/3 y 2/3 de la
masa.
A este proceso se le llama fisión nuclear y además de la
velocidad a la que tiene lugar, tiene por lo menos otros
rasgos destacables:
1.
2.
Libera mucha más energía que la liberación de un
núcleo de helio ("radioactividad alfa").
Los fragmentos también son inestables. Si
rompemos un núcleo que tenga, digamos, 40
protones por cada 60 neutrones, en fragmentos cuya
relación óptima se solo, digamos, de 45 a 55,
necesitan ajustarse.
Normalmente, este reajuste se realiza convirtiéndose
algunos neutrones en protones (más la emisión de
electrones, "rayos beta"), un proceso que se conoce como
"radioactividad beta". Este reajuste ocurre de hecho,
haciendo a esos fragmentos ferozmente radiactivos y
haciendo de su eliminación el asunto más grave de la
industria nuclear.
Pero primero, cuando se rompe el núcleo los fragmentos son
muy inestables para un proceso gradual. Se necesita un
reajuste rápido y los fragmentos lo consiguen emitiendo uno
y a veces más neutrones libres.
La Reacción en Cadena
Como media, se liberan dos neutrones por cada fenómeno
de fisión. Pero se necesita solo un neutrón para iniciar otra
fisión. De tal forma que si los núcleos fisionables están
empaquetados en alta densidad cada neutrón produce una
nueva fisión, la cantidad de fisiones se multiplica rápido: 2,
4, 8, 16, 32, 64, 128... Como la energía liberada es
proporcional a la relación de la fisión, también crece
rápidamente.
Esta reacción nuclear es la que ocurre en una bomba nuclear
(o atómica). El material con núcleos propensos a la fisión;
normalmente plutonio, un elemento pesado artificial con 94
protones, debe de comprimirse fuertemente y, en el
momento adecuado, exponerlo al estallido de neutrones.
Multitud de artificios, todos altamente secretos, se usan
para asegurar que, por lo menos, una cantidad apreciable de
sus átomos experimente la fisión antes de que la cosa al
completo reviente.
La energía nuclear comercial está producida de forma
diferente, de una manera más controlada. El combustible es
el uranio 235 (U-235), un isótopo con 92 protones y solo
143 neutrones, no 146, un número impar que lo hace más
inestable. El uranio natural consiste en su mayoría de U-238
y puede absorber un neutrón sin experimentar la fisión (se
vuelve plutonio). U-238 por consiguiente no soporta una
reacción en cadena. Sin embargo, el 0.7% de uranio es el U235, que experimenta la fisión tan pronto absorbe un
neutrón.
Usando un diseño ingenioso, se puede construir un
reactor alimentado por uranio natural. El artificio es
construir el combustible en forma de barras y
ponerlo en medio de un material llamado
moderador, que ralentiza los neutrones pero no los
absorbe, p.e. carbón puro o "agua pesada" que
contiene el isótopo pesado del hidrógeno. Los
neutrones producidos en la barra escapan al
moderador y cuando golpean otra barra se están
moviendo muy lento: estos neutrones lentos son
absorbidos más ávidamente por el U-235 que por el
U-238, por lo que aún en una barra que solo
contenga el 0.7% de U-235, los átomos de U-235
hacen la mayoría de las capturas.
La Masa Crítica
Tendría que añadirse que muchos neutrones también se
pierden, escapan de los lados del reactor al material de
alrededor o son absorbidos por los núcleos "equivocados",
los que no sufren fisión. De hecho, un reactor necesita ser
diseñado cuidadosamente para mantener, en primer lugar,
una reacción en cadena: pero lo pueden hacer.
Desde el comienzo, se idearon métodos complejos y muy
caros para separar el U-235 o para enriquecer su porcentaje
más del 0.7%. Hoy en día todos los reactores nucleares
comerciales usan combustible enriquecido, que hace más
fácil el diseño de los reactores y más controlables. Con el
combustible enriquecido, puede usarse agua normal como
moderador y también es factible combinar el moderador y el
combustible, disolviendo algo del compuesto de uranio en el
agua, que así actúa como moderadora y como distribuidora
del calor.
Un reactor, o un trozo de uranio, no soportará una reacción
en cadena si es muy pequeño. Si la cantidad de material
fisionable es menor de una masa crítica, la fisión media
tiene lugar muy cerca de su superficie. Aunque, digamos, se
produzcan 2 neutrones en cada fisión, como media 1.2 de
ellos escapan hacia el exterior antes de tropezarse con otro
núcleo, dejando solo 0.8 neutrones para continuar el
proceso, en tanto que se necesitan uno o más.
Cuando se procesa combustible nuclear o se reprocesan
barras de combustible, es esencial trabajar solo con
pequeñas cantidades para prevenir cualquier accidente de
reacción en cadena. El 30 Septiembre de 1999, en la planta
de procesado nuclear de Tokaimura, en Japón, los
trabajadores pensaron que ahorraban tiempo combinando
varios procesos en una solución de uranio. Con el flash de
una lámpara azul, comenzó una reacción en cadena,
confiriendo a tres trabajadores muy grandes dosis de
radiación y que duro 18 horas. Un trabajador murió a los
tres meses (a pesar de las medidas extremadas), uno fue
dado de alta del hospital y otro aún seguía el 12/99 en
cuidados intensivos.
Apareció en "Physics Today" p. 52-4 de Diciembre de 1999
un informe detallado sobre el accidente ("What Happened in
Tokaimura?"). Ocurrió un accidente similar en los EE.UU. en
los años 1950s, cuando un trabajador que extraía plutonio
de una solución para otra, tomó un atajo y combinó varias
fases. Murió a los dos días por exposición a la radiación.
[Una nota histórica: El primer reactor nuclear fue
diseñado por Enrico Fermi, bajo las gradas de un
viejo estadio en la Universidad de Chicago. En vez de
barras usó pastillas cilíndricas de uranio, que estaba
embebido en una gran "pila" de ladrillos de carbón
puro, que era el moderador. Consiguió una reacción
en cadena el 2 de Diciembre de 1942 y el nombre de
"pila atómica" continuó usándose durante una
década.]
El Reactor Nuclear Controlado
Debido a que un reactor nuclear necesita neutrones que
hayan sido desacelerados, tiene un retraso propio y no
puede explotar como una bomba nuclear (aunque los filmes
de terror afirmen lo contrario). A pesar de todo, la reacción
en cadena puede aumentar rápidamente y si no se controla,
el reactor podría, en principio, calentarse hasta su fundido.
El método normal de control es insertar entre el combustible
"barras de control" que absorben fuertemente los
neutrones, p.e. el cadmio, usado también en el galvanizado.
Absorbiendo los neutrones libres, estas barras desaceleran o
paran la reacción en cadena.
Afortunadamente, aquí la naturaleza ha sido útil.
Aproximadamente el 1% de los neutrones liberados en la
fisión no se emiten inmediatamente, sino que se demoran
una fracción de segundo. Los reactores siempre están
operando para producir los neutrones casi justos para
mantener la reacción en cadena. Si por cualquier razón el
calor comienza a elevarse, los neutrones retrasados
desaceleran la razón de incremento y un mecanismo
automático, subiendo o bajando las barras de control, es lo
suficiente rápido como para pararlos.
Los reactores nucleares en los EE.UU.
usan agua común como moderador,
dentro de un "recipiente presurizado"
fabricado con grueso acero, con
elementos de combustible como barras
y barras de control colocadas en
aberturas en su tapa. Para comenzar la
reacción en cadena:
Se retiran en parte las
barras de control,
o los fragmentos rápidos
calientan los elementos
de combustible,
o los elementos de
combustible calientan
el agua, se produce vapor (normalmente, vapor "limpio" en tubos
separados del agua radioactiva del reactor), el vapor hace girar las
turbinas, y
los generadores movidos por las turbinas producen electricidad.
o
o
Este es el proceso básico, los detalles son muchos y mucho más
complicados.
¿Es esta la energía del futuro? Al escribir esto (1999) Francia obtiene el
75% de su energía de la nuclear y muchos países industriales, faltos de
carbón y petróleo, también obtienen una cantidad apreciable de su energía
de esta forma, p.e. 1/3 de la energía usada en Japón y España. En los
EE.UU., después de un comienzo lleno de entusiasmo, el uso de la energía
nuclear ha bajado hasta un 20% de la potencia generada, mayoritariamente
debido a la oposición social a la energía nuclear.
Los EE.UU. no obstante, son afortunados por tener grandes reservas de carbón: su
creciente consumo de energía se consigue en su mayor parte mediante ese
combustible. Ambientalmente, la elección es entre dos alternativas:
•
•
Quemar carbón y gas natural, que produce dióxido
de carbono (CO2) y otros contaminantes y puede
amplificar el "efecto invernadero" y acelerar el
calentamiento global; o sino
Usar centrales nucleares, con la producción asociada
de residuos nucleares.
No es fácil escoger, y si rechazamos ambas opciones,
podemos prever muchos mayores costes energéticos y
mucha menos potencia disponible.
Residuo Nuclear
El problema de la fisión es que los "fragmentos de la fisión",
procedentes de la rotura del uranio y del plutonio son muy
"calientes", extremadamente radiactivos. Esto crea dos
problemas serios:
1.
El problema del almacenamiento de los residuos,
debido a la larga vida de esas sustancias, el tiempo
que persiste su radiactividad.
Los residuos nucleares contienen una gran
variedad de sustancias. Algunas tienen vidas medias
cortas: sus radioactividad es intensa, pero se
"queman" en unas horas, días o meses (su riesgo es
diferente, vea más abajo). Sin embargo, algunas
sustancias permanecen "calientes" (radioactivas)
durante décadas o centurias y su radioactividad
continúa siendo tan intensa que se necesita
mantener fuera del alcance humano durante miles
de años, quizás varios miles. Inicialmente también
necesitan enfriarse, debido a que su radioactividad
genera calor.
Se ha propuesto fundir los residuos nucleares
dentro de recipientes vítreos y aislarlos en cavernas
bajo tierra, pero los temores continúan, ya que en el
pasado nunca se ha necesitado tan largo
internamiento infalible (los productos químicos
tóxicos también hacen eso, si son enterrados en vez
de destruidos). Afortunadamente, la cantidad de
residuos nucleares es relativamente pequeña. Como
los productos residuos del combustible nuclear
tienen el mismo peso que el propio combustible, con
unas pocas toneladas se puede suministrar
electricidad durante años.
Aún así, deben de manejarse por control remoto y
no debe existir posibilidad de contaminar las aguas
subterráneas.
2.
La posibilidad de fundido del reactor. Durante la
operación normal de una planta nuclear, las barras
de combustible acumulan una cantidad apreciable de
fragmentos de la fisión. En un programa de rotación,
cada barra se reemplaza por otra nueva y su residuo
radiactivo se elimina y almacena; pero siempre, los
barras contienen el suficiente residuo para generar
una gran cantidad de calor, suficiente, de hecho,
coma para fundir la propia barra, si por cualquier
razón falla en flujo de vapor (o agua caliente) que
elimina su calor.
Accidentes Nucleares
Supongamos que algo va mal en el mecanismo de
enfriamiento. De forma automática las barras de control son
bajadas y la reacción en cadena se detiene inmediatamente.
Pero el residuo radiactivo dentro del reactor continúa
generando calor, por lo que el enfriamiento debe seguir
durante horas o días. El 28 de Marzo de 1979, en la central
nuclear de Three Mile Island, en las afueras de Harrisburg,
Pennsylvania, una disfunción menor condujo a una serie de
errores, parando durante un rato los dos sistemas de
enfriamiento, el principal y el de emergencia.
El calor residual del residuo nuclear fundió parte del núcleo
del reactor y creó (por reacción química) hidrógeno libre,
que complicó posteriormente la situación. El multimillonario
reactor sufrió la perdida total, pero el daño peor fue muy
probablemente el que sufrió la confianza pública en la
seguridad de la energía nuclear. Aunque el recipiente del
reactor no se rajó y la segunda línea de defensa, el "edificio
de contención" de hormigón permaneció intacto.
El reactor nuclear de Chernobyl, cerca de Kiev, capital de
Ucrania, tenía un diseño diferente, al igual que el reactor
original de Fermi, usaba una pila de carbón (grafito) para
desacelerar los neutrones, con tubos dentro que sostenían
las barras de combustible, barras de control y agua de
refrigeración. Era un gran reactor y no estaba encerrado
dentro de un edificio de contención.
El 25 de Abril de 1986, un experimento imprudente de baja
potencia condujo a la perdida del control. El nivel de
potencia aumentó, el recipiente del reactor explotó y el
vapor caliente y el grafito (así como el combustible circonio
usado en las barras de combustible) reaccionó con el vapor
caliente y con el oxígeno de la atmósfera y produjo un fuego
intenso, cuyo penacho se elevó a grandes alturas y esparció
basura radiactiva sobre una gran superficie. De los
bomberos llamados para extinguir el fuego muchos
murieron después por la radiación. Ciudades y pueblos
cercanos a Chernobyl tuvieron que ser evacuados (en 1999
continuaban vacíos) y se contaminó la producción agrícola
de muchas zonas de Europa. Los restos del reactor fueron
encerrados en un sepulcro de hormigón, enterrando los
residuos radiactivos en su interior.
Desde estos accidentes, la generación de energía nuclear en
los EE.UU. continuó sin grandes incidentes. Sin embargo, los
residuos nucleares se continúan manteniendo en
almacenamientos temporales, mientras se continúa
debatiendo la política nacional sobre su tratamiento. El otro
reactor en Three Mile Island (y hasta los otros de
Chernobyl) se han puesto en servicio de nuevo para
suministrar de nuevo energía.
Como da a entender el ejemplo de Francia, la energía
nuclear puede ser la fuente principal de energía de una
nación industrializada, aunque necesita un alto nivel de
competencia profesional y sistemas de seguridad
cuidadosamente diseñados. Al mismo tiempo, los accidentes
de Three Mile Island y Chernobyl son un recordatorio de que
este tipo de energía acarrea riesgos únicos por si misma.
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