La energía nuclear tiene varias ventajas sobre las fuentes de energía no renovables. Aunque los residuos producidos por los reactores nucleares son tóxicos, los residuos radiactivos acabarán descomponiéndose en sustancias inocuas como el plomo, aunque esto pueda tardar hasta 1 millón de años. Además, los combustibles nucleares como el uranio son mucho más densos que los combustibles fósiles tradicionales, por lo que físicamente se producen muchos menos residuos. Por último, las fuentes de energía renovables verdes, como la solar o la eólica, no pueden producir tanta energía como la nuclear y suelen depender de las condiciones meteorológicas.
¿Qué son los reactores nucleares? Los fundamentos
Un reactor nuclear es un dispositivo que utiliza reacciones nucleares para generar calor que puede utilizarse para producir electricidad. Los reactores nucleares utilizan la energía liberada por la división de átomos (fisión nuclear) o la fusión de átomos (fusión nuclear) para producir calor, que luego se utiliza para crear vapor que acciona una turbina y produce electricidad.
El reactor nuclear es el corazón de cualquiercentral nuclear. Sin embargo, fuera del reactor principal, una central nuclear genera electricidad de forma sorprendentemente similar a una central de carbón. En última instancia, la energía liberada por las reacciones nucleares en el interior de un reactor se utiliza simplemente para calentar y hervir agua. El vapor produce entonces trabajo mecánico para hacer girar una turbina y generar electricidad. Posteriormente, el vapor se enfría en el condensador para ser reutilizado en el reactor. Las centrales nucleares son un ejemplo de motor térmico.
Diagrama de cómo se genera electricidad en una central nuclear, Flickr CC BY-NC-SA 2.0
Existen dos métodos para calentar el agua utilizando reacciones nucleares. El primero es la fisión nuclear, en la que un núcleo padre se divide en dos núcleos hijos. La masa de los dos núcleos hijos es siempre menor que la del núcleo padre, esta masa faltante se libera en forma de energía.
El segundo método posible de calentamiento es a través de la fusión nuclear, en la que dos núcleos atómicos ligeros son forzados a unirse y fusionarse en un solo núcleo. Al igual que en la fisión, el núcleo resultante de una reacción de fusión tiene una masa menor que los dos núcleos originales. La masa sobrante se libera en forma de energía.
Para averiguar exactamente cuánta energía se libera en estas dos reacciones nucleares debemos remitirnos a la ecuación más famosa de toda la física. ¡La ecuación de Einstein! Que nos ayuda a comprender cómo la masa puede convertirse en energía.
\(E = mc^2\), donde E es la energía, m es la masa y c es la velocidad de la luz.
Para calcular la energía liberada por una reacción de fisión nuclear debes determinar la diferencia de masa entre el núcleo padre y los núcleos hijos. (Una tabla periódica puede ayudarte con esto). La ecuación de Einstein muestra que entonces puedes multiplicar esta diferencia de masa por la velocidad de la luz al cuadrado para revelar la masa que se ha convertido en energía en la reacción.
Ejemplos de reactores nucleares
En marzo de 2022, en el Reino Unido funcionaban 11 reactores nucleares en 5 emplazamientos diferentes. La energía nuclear generó más del 16% de las necesidades energéticas del país en 2020 y ese porcentaje está aumentando debido a los incentivos y subvenciones recientemente introducidos por el gobierno. La lista de centrales nucleares activas en el Reino Unido incluye Hinkley Point B, Hartlepool, Heysham 1, Heysham 2, Torness y Sizewell B.
Reactor nuclear de fisión
En una reacción de fisión nuclear, un núcleo padre se divide para producir dos núcleos hijos. La diferencia de masa antes y después de la reacción se convierte directamente en energía. El tipo más común de combustible nuclear utilizado en los reactores de fisión es el uranio-235. Desgraciadamente, la energía liberada por la división deun solo átomo de uranio-235 es de sólo \cdot 10^{-11} J\(3,2). Esto es insignificante comparado con nuestras necesidades energéticas modernas, ya que un hogar medio del Reino Unido necesita unos1010 julios de energía al año. Afortunadamente, dentro de un solo kilogramo de uranio existe un número insondablemente grande de átomos de uranio 235. Entonces, ¿cómo dividimos más de un núcleo atómico a la vez? La respuesta son las reacciones nucleares en cadena.
Dentro de un reactor nuclear de fisión, cuando un isótopo de Uranio-235 absorbe un neutrón, se convierte brevemente en Uranio-236. El U-236 es extremadamente inestable. El U-236 es extremadamente inestable y se desintegrará rápidamente en dos núcleos hijos, Cesio-140 y Rubidio-92, liberando energía. Sin embargo, los dos núcleos hijos no son los únicos productos de la fisión nuclear. También se emiten dos o tres neutrones. Si la fuente de combustible de uranio es lo suficientemente densa, estos neutrones pueden ser absorbidos por otros isótopos de U-235, provocando la división de más núcleos en otras reacciones de fisión nuclear, ¡liberando más energía!
En el diagrama anterior puedes ver que la fisión del núcleo del ejemplo anterior produce 3 neutrones nuevos, que a su vez son absorbidos por otros 3 núcleos atómicos. Esos núcleos también se dividirán, ¡emitiendo 9 neutrones nuevos en total! Así pues, si cada caso de fisión produce 3 nuevos neutrones, el número de reacciones de fisión se triplicará en cada nueva generación (suponiendo que todos los neutrones emitidos colisionen realmente con un núcleo atómico).
Generación | Número de reacciones de fisión |
1ª | 1 |
2ª | 3 |
3ª | 9 |
4ª | 27 |
5ª | 81 |
Décimo | 19,683 |
50.º | 2.4 x 1023 |
En la tabla anterior puedes ver cómo una reacción nuclear en cadena podría descontrolarse rápidamente, liberando una enorme cantidad de energía en muy poco tiempo. Así es como funcionan las armas nucleares. Una reacción nuclear en cadena incontrolada que conduce a una explosión catastrófica. Evidentemente, para nuestras necesidades energéticas, necesitaríamos poder regular esta reacción para controlar la cantidad de energía liberada.
Diagrama de un reactor nuclear
Para comprender cómo controlar una reacción nuclear en cadena para utilizarla en nuestras centrales eléctricas, debemos estudiar el diseño de un reactor nuclear de fisión. Un reactor de fisión tiene mecanismos diseñados para moderar una reacción en cadena de modo que podamos extraer la cantidad exacta de energía deseada. Esto es especialmente útil, ya que la demanda de energía del Reino Unido en la red nacional cambia en función de muchos factores diferentes, como la hora del día, el tiempo, la estación del año, etc.
Los componentes principales de un reactor nuclear de fisión, Wikimedia Commons CC-BY-2.5
Un reactor nuclear de fisión contiene muchas piezas importantes. La fuente de combustible nuclear (uranio, plutonio, torio, etc.) se mantiene en barras de combustible que están recubiertas por un moderador de grafito. El grafito entre las barras de combustible ralentiza los neutrones emitidos, lo que hace más probable que sean absorbidos por el combustible nuclear de otra barra, lo que inducirá una mayor tasa de fisión nuclear.
El principal mecanismo que controla el ritmo de la reacción nuclear en cadena dentro del reactor de fisión son las barras de control. Suelen estar hechas de elementos como la plata o el boro, que pueden absorber fácilmente neutrones sin dividirse. Por tanto, una reacción nuclear en cadena puede controlarse bajando o subiendo estas barras de control. Puedes ralentizar la velocidad de reacción bajando las barras de control más hacia el interior del núcleo. A la inversa, puedes aumentar la velocidad de la reacción retirando progresivamente las barras de control. Con varias barras de control, es sencillo mantener el control del proceso de fisión en tiempo real.
Elblindaje contra la radiación (normalmente de hormigón) se utiliza para proteger el entorno exterior de los productos derivados radiactivos y nocivos de las reacciones de fisión. La energía generada por la fisión nuclear en el reactor se utiliza para calentar agua, de modo que el vapor pueda realizar un trabajo útil haciendo girar una turbina de vapor, que en última instancia se utiliza para generar electricidad.
Reactor nuclear de fusión
En una reacción de fusión nuclear, dos núcleos atómicos se fuerzan entre sí y se combinan en un solo núcleo.La diferencia de masa antes y después de una reacción de fusión se convierte directamente en energía.La fusión nuclear alimenta nuestro Sol, dondecada segundo se produce un número casi incontable dereacciones de fusión nuclear. La diferencia de masa se irradia como energía.
La fusión nuclear puede crear cantidades inmensas de energía, varias veces superiores a la fisión. El combustible utilizado en la fusión es extremadamente abundante y barato, a diferencia de los elementos radiactivos más pesados utilizados en la fisión. Además, ninguno de los productos de la fusión es en sí radiactivo, por lo que una central de fusión nuclear sería una fuente de energía ecológica y renovable. Por último, un reactor de fusión nuclear sería incapaz de sufrir una fusión nuclear incluso con un error humano, por lo que serían mucho más seguros.
Es evidente, pues, que se puede extraer mucha energía mediante la fusión nuclear. Puede chocarte entonces que actualmente haya cero reactores de fusión nuclear en el mundo ¡para ayudarnos a generar nuestra electricidad! Para que se produzca la fusión es necesario superar la fuerza de repulsión entre dos núcleos atómicos cargados positivamente. Los dos núcleos deben estar lo suficientemente cerca como para que la fuerza nuclear sea lo suficientemente fuerte como para inducir la fusión nuclear. Para ello se necesita un entorno con una temperatura y una presión extremadamente altas, como el que se encuentra en el interior de una estrella.
La fuerza que repele dos núcleos cargados positivamente y que debe superarse para la fusión nuclear, Wikimedia Commons CC-BY-2.5
Por desgracia, la cantidad de energía necesaria para crear artificialmente este entorno requiere más energía para mantenerse que la que recibimos de la propia fusión. Los científicos y los ingenieros han avanzado constantemente en este problema durante las últimas décadas, pero actualmente los reactores de fusión nuclear sólo existen como tecnología experimental.
Los científicos han decidido que en cualquier reactor de fusión nuclear futuro dos isótopos diferentes de Hidrógeno, el Deuterio y el Tritio, serán probablemente el combustible. Este combustible puede fusionarse a temperaturas más bajas que otras fuentes y libera más energía que muchas otras reacciones de fusión. Además, el deuterio se encuentra fácilmente en el agua de mar y, aunque es raro que el Tritio aparezca de forma natural, se puede producir artificialmente de forma fácil y barata.
\[D + T = ^{4}He + n +Energía \text{ o } ^{2}_{1}H + ^{3}_{1}H = ^{4}_{2}He + n + Energía]].
Los núcleos de Deuterio (D) poseen 1 protón y 1 neutrón cada uno, mientras que el Tritio (T) contiene 1 protón y 2 neutrones cada uno. Cuando el Deuterio y el Tritio se fusionan, se convierten en un núcleo de Helio ordinario, liberando un solo neutrón y ¡mucha energía útil!
El avance de la fusión nuclear
La fusión nuclear resolvería muchos problemas que tiene actualmente la humanidad en relación con la producción de energía. A diferencia de la fisión nuclear, la fusión nuclear puede producir cantidades muy elevadas de energía sin producir subproductos radiactivos.
Sin embargo, la fisión nuclear es más fácil de conseguir. Se necesita poco esfuerzo para dividir átomos en comparación con las temperaturas y la presión necesarias para fusionar dos átomos, normalmente átomos de hidrógeno.
Por ello, hasta finales de 2022, los investigadores tenían que inyectar a los reactores nucleares más energía que la producida por una reacción de fusión nuclear. Sin embargo, en diciembre de 2022, en la Instalación Nacional de Ignición del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) de California, se logró un gran avance en la fusión nuclear: los investigadores obtuvieron más energía de la reacción de fusión que la que tuvieron que inyectar en el reactor.
Aunque se trata de un gran logro para la humanidad y el desarrollo de recursos energéticos más sostenibles, aún queda un largo camino por recorrer hasta que la fusión nuclear se convierta en un sistema de producción de energía viable.
Reactores nucleares - Puntos clave
- Los núcleos de los átomos contienen inmensas cantidades de energía que podemos utilizar en la generación de energía.
- Las centrales nucleares producen menos residuos que los combustibles fósiles y los residuos radiactivos acaban descomponiéndose en sustancias inocuas. Además, pueden generar mucha más electricidad que las fuentes de energía renovables, como la energía solar, eólica o mareomotriz.
- La energía liberada durante una reacción nuclear se utiliza para calentar agua, como en otros tipos de centrales. El agua calentada se convierte en vapor, que utiliza el trabajo mecánico para hacer girar una turbina. En última instancia, la turbina genera electricidad. A continuación, el vapor puede enfriarse en un condensador para ser reutilizado en el reactor.
- En la fisión nuclear, un núcleo atómico más pesado se divide en dos núcleos hijos. La masa total de los núcleos hijos es siempre menor que la del núcleo padre. La diferencia de masa se transforma en energía.
- En la fusión nuclear, dos núcleos atómicos ligeros son forzados a unirse para fusionarse en un solo núcleo. La masa del núcleo resultante es siempre menor que la de los dos núcleos originales. La diferencia de masa se convierte en energía.
- Las reacciones nucleares en cadena se utilizan para dividir más de un átomo a la vez. Las reacciones en cadena no controladas se utilizan en las armas y las reacciones en cadena controladas se utilizan en las centrales nucleares.
- Los reactores nucleares de fisión tienen muchas piezas importantes. Barras de combustible, barras de control, moderador de grafito y blindaje contra la radiación.
- La fusión nuclear puede producir varias veces más energía que la fisión nuclear. El combustible es abundante y barato y el proceso no produce residuos radiactivos. Las centrales de fusión también son más seguras que las de fisión.
- La fusión nuclear requiere un entorno de alta temperatura y presión para superar la fuerza de repulsión entre los dos núcleos positivos.
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