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21.4: La transmutación y energía nuclear

  • Page ID
    1981
    • Contribuido por

    Habilidades para desarrollar

    • Describir la síntesis de los nucleidos transuránicos
    • Explicar los procesos de fusión y fisión nuclear
    • Relacionar los conceptos de la masa crítica y las reacciones nucleares en cadena
    • Resumir los requisitos básicos para los reactores de fusión y fisión nuclear

    Después del descubrimiento de la radiactividad, el tema de la química nuclear se hizo y se desarrolló rápidamente a principios del siglo XX. Muchos nuevos descubrimientos en las décadas de 1930 y 1940, junto con la Segunda Guerra Mundial, se combinaron para marcar el comienzo de la Era Nuclear a mediados del siglo XX. La ciencia aprendió a crear nuevas sustancias, y se descubrió que ciertos isótopos de ciertos elementos pueden producir cantidades de energía sin precedentes, con el potencial de causar un daño tremendo durante la guerra, así como de producir enormes cantidades de energía para las necesidades de la sociedad cuando hay paz.

    La síntesis de los nucleidos

    La transmutación nuclear es la conversión de un nucleido en otro. Puede ocurrir por la desintegración radiactiva de un núcleo o la reacción de un núcleo con otra partícula. El primer núcleo artificial se produjo en el laboratorio de Ernest Rutherford en 1919 usando una reacción de transmutación, el bombardeo de un tipo de núcleos con otros núcleos o con neutrones. Rutherford bombardeó los átomos de nitrógeno con partículas α de alta velocidad de un isótopo radiactivo natural de radio y los protones que resultan de la reacción: 

    \[\ce{^{14}_7N + ^4_2He ⟶ ^{17}_8O + ^1_1H}\]

    Los núcleos \(\ce{^{17}_8O}\) y \(\ce{^1_1H}\) que se producen son estables, por eso no hay más cambios (nucleares).

    Para alcanzar las energías cinéticas necesarias para producir las reacciones de transmutación, se usan dispositivos llamados aceleradores de partículas. Estos dispositivos usan campos magnéticos y eléctricos para aumentar la velocidad de las partículas nucleares. En todos los aceleradores, las partículas se mueven en el vacío para evitar las colisiones con las moléculas de gas. Normalmente, cuando se necesitan neutrones para las reacciones de transmutación, se obtienen a partir de las reacciones de desintegración radiactiva o de otras reacciones nucleares que ocurren en los reactores nucleares. La función Química en la vida cotidiana que se ensena más adelante analiza un famoso acelerador de partículas que fue una noticia mundial.

    Acelerador de partículas CERN

    Situado cerca de Ginebra, el Laboratorio del CERN ("Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire" o Consejo Europeo de Investigación Nuclear) es el principal centro mundial para las investigaciones de las partículas fundamentales que componen la materia. Contiene el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) circular de 27 kilómetros (17 millas) de largo, el acelerador de partículas más grande del mundo (Figura \(\PageIndex{1}\)). En el LHC, las partículas son elevadas a altas energías y luego se hacen chocar entre sí o con objetivos estacionarios a casi la velocidad de la luz. Los electroimanes superconductores se usan para producir un fuerte campo magnético que guía las partículas alrededor del anillo. Detectores especializados y especialmente diseñados observan y registran los resultados de estas colisiones, que luego se analizan por los científicos del CERN usando computadores fuertes.

    Figura \(\PageIndex{1}\): Se muestra una pequeña sección del LHC con trabajadores que la usan para viajar (crédito: Christophe Delaere)

    En 2012, el CERN anunció que los experimentos en el LHC mostraron las primeras observaciones del bosón de Higgs, una partícula elemental que ayuda a explicar el origen de la masa en las partículas fundamentales. Este descubrimiento que fue tan esperado fue una noticia mundial y resultó en la concesión del Premio Nobel de Física 2103 a François Englert y Peter Higgs, quienes habían predicho la existencia de esta partícula casi 50 años antes.

    Antes de 1940, el elemento más pesado conocido era el uranio, que tiene un número atómico de 92. Ahora, se han sintetizado y aislado muchos elementos artificiales, incluidos varios a una escala tan grande que han tenido un profundo efecto en la sociedad. Uno de ellos, el elemento 93, neptunio (Np), fue fabricado por primera vez en 1940 por McMillan y Abelson bombardeando uranio-238 con neutrones. La reacción forma uranio-239 inestable, con una vida media de 23.5 minutos, que luego se desintegra en neptunio-239. El neptunio-239 también es radiactivo, con una vida media de 2.36 días y se descompone en plutonio-239. Las reacciones nucleares son:

    \[\begin{align}
    &\ce{^{238}_{92}U + ^1_0n⟶ ^{239}_{92}U} && \nonumber\\
    &\ce{^{239}_{92}U⟶ ^{239}_{93}Np + ^0_{−1}e \,\,\,\mathit{t}_{1/2}} &&\textrm{half-life}=\mathrm{23.5\: min} \nonumber\\
    &\ce{^{239}_{93}Np⟶ ^{239}_{94}Pu + ^0_{−1}e\,\,\, \mathit{t}_{1/2}} &&\textrm{half-life}=\mathrm{2.36\: days}
    \end{align}\]

    Actualmente, el plutonio se forma principalmente en reactores nucleares como un subproducto durante la descomposición del uranio. Algunos de los neutrones que se liberan durante la descomposición del U-235 se combinan con los núcleos del U-238 para formar el uranio-239; éste sufre una desintegración β para formar neptunio-239, que luego pasa por una desintegración β para formar plutonio-239, como se ilustra en las tres ecuaciones anteriores. Estas ecuaciones se pueden resumir como:

    \[\mathrm{\ce{^{238}_{92}U} + {^1_0n}⟶ \ce{^{239}_{92}U} \xrightarrow{β^-} \ce{^{239}_{93}Np} \xrightarrow{β^-} \ce{^{239}_{94}Pu}}\]

    Los isótopos más pesados de plutonio (Pu-240, Pu-241 y Pu-242) también se producen cuando los núcleos de plutonio más ligeros capturan neutrones. Parte de este plutonio altamente radiactivo se usa para producir armas militares, y el resto presenta un serio problema de almacenamiento porque tienen vidas medias de miles a cientos de miles de años.

    Aunque no se han preparado en la misma cantidad que el plutonio, se han producido muchos otros núcleos sintéticos. La medicina nuclear se ha desarrollado usando la capacidad de convertir átomos de un tipo en otros tipos de átomos. Los isótopos radiactivos de varias docenas de elementos se usan actualmente para las aplicaciones médicas. La radiación producida por su descomposición se usa para obtener imágenes o tratar varios órganos o partes del cuerpo, entre otros usos.

    Los elementos más allá del elemento 92 (uranio) se llaman los elementos transuránicos. En el momento de escribir este documento, la IUPAC ha producido y ha reconocido oficialmente 22 elementos transuránicos; varios otros elementos tienen reclamos de formación que están esperando aprobación. Algunos de estos elementos se muestran en la Tabla \(\PageIndex{1}\).

    Tabla \(\PageIndex{1}\): La preparación de algunos de los elementos transuránicos
    Nombre Símbolo Número atómico Reacción
    americio Am 95 \(\ce{^{239}_{94}Pu + ^1_0n ⟶ ^{240}_{95}Am + ^0_{−1}e}\)
    curio Cm 96 \(\ce{^{239}_{94}Pu + ^4_2He ⟶ ^{242}_{96}Cm + ^1_0n}\)
    californio Cf 98 \(\ce{^{242}_{96}Cm + ^4_2He⟶ ^{245}_{98}Cf + ^1_0n}\)
    einstenio Es 99 \(\ce{^{238}_{92}U + 15^1_0n⟶ ^{253}_{99}Es + 7^0_{−1}e}\)
    mendelevio Md 101 \(\ce{^{253}_{99}Es + ^4_2He ⟶ ^{256}_{101}Md + ^1_0n}\)
    nobelio No 102 \(\ce{^{246}_{96}Cm + ^{12}_6C ⟶ ^{254}_{102}No + 4 ^1_0n}\)
    rutherfordio Rf 104 \(\ce{^{249}_{98}Cf + ^{12}_6C⟶ ^{257}_{104}Rf + 4 ^1_0n}\)
    seaborgio

    Sg

    106

    \(\ce{^{206}_{82}Pb + ^{54}_{24}Cr ⟶ ^{257}_{106}Sg + 3 ^1_0n}\)

    \(\ce{^{249}_{98}Cf + ^{18}_8O ⟶ ^{263}_{106}Sg + 4 ^1_0n}\)

    meitnerio Mt 107 \(\ce{^{209}_{83}Bi + ^{58}_{26}Fe ⟶ ^{266}_{109}Mt + ^1_0n}\)

    La fisión nuclear

    Otros elementos más pesados ​​con energías de enlace más pequeñas por nucleón pueden descomponerse en elementos más estables que tienen números de masa intermedios y energías de enlace más grandes por nucleón, es decir, números de masa y energías de enlace por nucleón que están más cerca del "pico" del gráfico de energía de enlace cerca de 56. A veces también se producen neutrones. Esta descomposición se llama la fisión o la ruptura de un núcleo grande en pedazos más pequeños. La ruptura del núcleo es bastante aleatoria con la formación de una gran cantidad de productos diferentes. La fisión generalmente no ocurre de forma natural, sino que es inducida por un bombardeo con neutrones. La primera fisión nuclear reportada ocurrió en 1939 cuando tres científicos alemanes, Lise Meitner, Otto Hahn y Fritz Strassman, bombardearon átomos de uranio 235 con neutrones de movimiento lento que dividieron los núcleos del U-238 en fragmentos más pequeños que consistían en varios neutrones y elementos cerca de la mitad de la tabla periódica. Desde entonces, se ha observado la fisión en muchos otros isótopos, incluidos la mayoría de los isótopos actínidos que tienen un número impar de neutrones. En la Figura \(\PageIndex{2}\) se muestra una reacción de fisión nuclear típica.

    A diagram is shown which has a white sphere labeled “superscript, 1, subscript 0, n” followed by a right-facing arrow and a large sphere composed of many smaller white and green spheres labeled “superscript, 235, subscript 92, U.” The single sphere has impacted the larger sphere. A right-facing arrow leads from the larger sphere to a vertical dumbbell shaped collection of the same white and green spheres labeled “superscript, 236, subscript 92, U, Unstable nucleus.” Two right-facing arrows lead from the top and bottom of this structure to two new spheres that are also composed of green and white spheres and are slightly smaller than the others. The top sphere is labeled “superscript, 92, subscript 36, K r” while the lower one is labeled “superscript, 141, subscript 56, B a.” A starburst pattern labeled “Energy” lies between these two spheres and has three right-facing arrows leading from it to three white spheres labeled “3, superscript, 1, subscript 0, n.” A balanced nuclear equation is written below the diagram and says “superscript, 235, subscript 92, U, plus sign, superscript, 1, subscript 0, n, yield arrow, superscript, 236, subscript 92, U, yield arrow, superscript, 141, subscript 56, B a, plus sign, superscript, 92, subscript 36, K r, plus sign, 3, superscript, 1, subscript 0, n.”

    Figura \(\PageIndex{2}\): Cuando un neutrón a una velocidad lenta golpea un núcleo de U-235 fisionable, es absorbido y forma un núcleo de U-236 inestable. El núcleo U-236 luego se rompe rápidamente en dos núcleos más pequeños (en este caso, Ba-141 y Kr-92) junto con varios neutrones (generalmente dos o tres), y libera mucha energía.

    Entre los productos de la reacción de fisión de Meitner, Hahn y Strassman estaban el bario, el criptón, el lantano y el cerio, todos los cuales tienen núcleos más estables que el uranio-235. Desde entonces, se han observado cientos de isótopos diferentes entre los productos de las sustancias fisionables. En la Figura \(\PageIndex{3}\) se muestran algunas de las muchas reacciones que ocurren para el U-235, y un gráfico que muestra la distribución de sus productos de fisión y sus rendimientos. Se han observado reacciones de fisión similares con otros isótopos de uranio, así como con una variedad de otros isótopos como los del plutonio.

    Five nuclear equations and a graph are shown. The first equation is “superscript, 235, subscript 92, U, plus sign, superscript, 1, subscript 0, n, yield arrow, superscript, 236, subscript 92, U, yield arrow, superscript, 90, subscript 38, S r, plus sign, superscript, 144, subscript 54, X e, plus sign, 2, superscript, 1, subscript 0, n.” The second equation is “superscript, 235, subscript 92, U, plus sign, superscript, 1, subscript 0, n, yield arrow, superscript, 236, subscript 92, U, yield arrow, superscript, 87, subscript 35, B r, plus sign, superscript, 146, subscript 57, L a, plus sign, 3, superscript, 1, subscript 0, n.” The third equation is “superscript, 235, subscript 92, U, plus sign, superscript, 1, subscript 0, n, yield arrow, superscript, 236, subscript 92, U, yield arrow, superscript, 97, subscript 37, R b, plus sign, superscript, 137, subscript 55, C s, plus sign, 3, superscript, 1, subscript 0, n.” The fourth equation is “superscript, 235, subscript 92, U, plus sign, superscript, 1, subscript 0, n, yield arrow, superscript, 236, subscript 92, U, yield arrow, superscript, 137, subscript 52, T e, plus sign, superscript, 97, subscript 40, Z r, plus sign, 2, superscript, 1, subscript 0, n.” The fifth equation is “superscript, 235, subscript 92, U, plus sign, superscript, 1, subscript 0, n, yield arrow, superscript, 236, subscript 92, U, yield arrow, superscript, 141, subscript 56, B a, plus sign, superscript, 92, subscript 36, K r, plus sign, 3, superscript, 1, subscript 0, n.” A graph is also shown where the y-axis is labeled “Fission yield, open parenthesis, percent sign, close parenthesis” and has values of 0 to 9 in increments of 1 while the x-axis is labeled “Mass number” and has values of 60 to 180 in increments of 20. The graph begins near point “65, 0” and rises rapidly to near “92, 6.6,” then drops just as rapidly to “107, 0” and remains there to point “127, 0.” The graph then rises again to near “132, 8,” then goes up and down a bit before falling to a point “153, 0,” and going horizontal.

    Figura \(\PageIndex{3}\): (a) La fisión nuclear del U-235 produce una variedad de productos de fisión. (b) Típicamente, los productos de fisión más grandes del U-235 son un isótopo con un número de masa alrededor de 85-105, y otro isótopo con un número de masa que es aproximadamente un 50% mayor, es decir, alrededor de 130-150.

    La fisión de los elementos pesados produce una enorme cantidad de energía. Por ejemplo, cuando un mol de U-235 pasa por la fisión, los productos pesan aproximadamente 0.2 gramos menos que los reactivos; esta masa “perdida” se convierte en una gran cantidad de energía, alrededor de 1.8 × 1010 kJ por mol de U-235. Las reacciones de fisión nuclear producen cantidades increíblemente grandes de energía en comparación con las reacciones químicas. La fisión de 1 kilogramo de uranio-235, por ejemplo, produce alrededor de 2.5 millones de veces más energía que la que se produce al quemar 1 kilogramo de carbón.

    Como se describió anteriormente, cuando pasa por la fisión, el U-235 produce dos núcleos de "tamaño mediano" y dos o tres neutrones. Estos neutrones pueden causar la fisión de otros átomos de uranio-235, que a su vez proveen más neutrones que pueden causar la fisión de incluso más núcleos, y así sucesivamente. Si esto ocurre, tenemos una reacción en cadena nuclear (Figura \(\PageIndex{4}\)). Por otro lado, si demasiados neutrones escapan del material a granel sin interactuar con un núcleo, entonces no ocurrirá una reacción en cadena.

    A diagram is shown which has a white sphere labeled “superscript, 1, subscript 0, n” followed by a right-facing arrow and a large sphere composed of many smaller white and green spheres labeled “superscript, 235, subscript 92, U.” The single sphere has impacted the larger sphere. A right-facing arrow leads from the larger sphere to a pair of smaller spheres which are collections of the same white and green spheres. The upper of these two images is labeled “superscript, 93, subscript 36, K r” while the lower of the two is labeled “superscript, 142, subscript 56, B a.” A starburst pattern labeled “Energy” lies between these two spheres and has three right-facing arrows leading from it to three white spheres labeled “ superscript, 1, subscript 0, n.”  An equation below this portion of the diagram reads ““superscript, 235, subscript 92, U, plus sign, superscript, 1, subscript 0, n, yield arrow, superscript, 140, subscript 56, B a, plus sign, superscript 90, subscript 36, K r, plus sign, 3, superscript 1, subscript 0, n.”  A right-facing arrow leads from each of these white spheres to three larger spheres, each composed of many smaller green and white spheres and labeled, from top to bottom as “a, superscript,235, subscript 92, U,” “b, superscript,235, subscript 92, U” and “c, superscript,235, subscript 92, U.” Each of these spheres is followed by a right-facing arrow which points to a pair of smaller spheres composed of the same green and white spheres with starburst patterns in between each pair labeled “Energy.” The spheres of the top pair are labeled, from top to bottom, “superscript, 96, subscript 37, R b” and “superscript, 137, subscript 55, C s.” The spheres of the middle pair are labeled, from top to bottom, “superscript, 90, subscript 38, S r” and “superscript, 144, subscript 54, X e.” The spheres of the bottom pair are labeled, from top to bottom, “superscript, 87, subscript 35, B r” and “superscript, 146, subscript 57, L a.” Each pair of spheres is followed by three right-facing arrows leading to three white spheres labeled “superscript, 1, subscript 0, n.”  Below the diagram are three nuclear equations. Equation a reads “superscript, 235, subscript 92, U, plus sign, superscript, 1, subscript 0, n, yield arrow, superscript, 96, subscript 37, R b, plus sign, superscript 137, subscript 55, C s, plus sign, 3, superscript 1, subscript 0, n.” Equation b reads “superscript, 235, subscript 92, U, plus sign, superscript, 1, subscript 0, n, yield arrow, superscript, 90, subscript 38, S r, plus sign, superscript144, subscript 54, X e, plus sign, 2, superscript 1, subscript 0, n.” Equation c reads “superscript, 235, subscript 92, U, plus sign, superscript, 1, subscript 0, n, yield arrow, superscript, 87, subscript 35, B r, plus sign, superscript 146, subscript 57, L a, plus sign, 3, superscript 1, subscript 0, n”

    Figura \(\PageIndex{4}\): La fisión de un núcleo grande, como el U-235, produce dos o tres neutrones, cada uno de los cuales es capaz de causar la fisión de otro núcleo mediante las reacciones que se muestran. Si este proceso continúa, se produce una reacción en cadena nuclear.

    Se dice que el material que puede sostener una reacción en cadena de fisión nuclear es fisionable. (Técnicamente, el material fisionable puede pasar por la fisión con neutrones de cualquier energía, mientras que el material fisionable requiere neutrones de alta energía). La fisión nuclear se vuelve autosostenida cuando el número de neutrones producidos por la fisión es igual o excede el número de neutrones absorbidos por la división de núcleos más el número que se escapa a los alrededores. La cantidad de material fisionable que soportará una reacción en cadena autosostenida es una masa crítica. Una cantidad de material fisionable que no puede sostener una reacción en cadena es una masa subcrítica. Una cantidad de material en la que hay una tasa de fisión creciente se conoce como una masa supercrítica. La masa crítica depende del tipo de material: su pureza, la temperatura, la forma de la muestra y cómo se controlan las reacciones de los neutrones (Figura \(\PageIndex{5}\)).

    The images are shown and labeled “a,” “b” and “c.” Image a, labeled “Sub-critical mass,” shows a blue circle background with a white sphere near the outer, top, left edge of the circle. A downward, right-facing arrow indicates that the white sphere enters the circle. Seven small, yellow starbursts are drawn in the blue circle and each has an arrow facing from it to outside the circle, in seemingly random directions. Image b, labeled “Critical mass,” shows a blue circle background with a white sphere near the outer, top, left edge of the circle. A downward, right-facing arrow indicates that the white sphere enters the circle. Seventeen small, yellow starbursts are drawn in the blue circle and each has an arrow facing from it to outside the circle, in seemingly random directions. Image c, labeled “Critical mass from neutron deflection,” shows a blue circle background, lying in a larger purple circle, with a white sphere near the outer, top, left edge of the purple circle. A downward, right-facing arrow indicates that the white sphere enters both of the circles. Thirteen small, yellow starbursts are drawn in the blue circle and each has an arrow facing from it to outside the blue circle, and a couple outside of the purple circle, in seemingly random directions.

    Figura \(\PageIndex{5}\): (a) En una masa subcrítica, el material fisionable es demasiado pequeño y pueden escapar demasiados neutrones del material, por eso no se produce una reacción en cadena. (b) En una masa crítica, un número suficientemente grande de neutrones en el material fisible induce la fisión para producir una reacción en cadena.

    Una bomba atómica (Figura \(\PageIndex{6}\)) contiene varias libras de material fisionable, \(\ce{^{235}_{92}U}\) or \(\ce{^{239}_{94}Pu}\), una fuente de neutrones y un dispositivo explosivo para comprimirlo rápidamente en un pequeño volumen. Cuando el material fisionable está en pedazos pequeños, la proporción de neutrones que escapan a través de la superficie es grande y no se produce una reacción en cadena. Cuando las pequeñas piezas de material fisionable se juntan rápidamente para formar un conjunto con una masa mayor que la masa crítica, el número relativo de neutrones que escapan disminuye y se produce una reacción en cadena y una explosión.

    Two diagrams are shown, each to the left of a photo, and labeled “a” and “b.” Diagram a shows the outer casing of a bomb that has a long, tubular shape with a squared-off tail. Components in the shell show a tube with a white disk labeled “Detonator” on the left, an orange disk with a bright yellow starburst drawn around it labeled “Conventional explosive” in the middle and a right-facing arrow leading to a blue disk in the nose of the bomb labeled “uranium 235.” A small blue cone next to the orange disk is shares the label of “uranium 235.” A black and white photo next to this diagram shows a far-off shot of a rising cloud over a landscape. Diagram b shows the outer casing of a bomb that has a short, rounded shape with a squared-off tail. Components in the shell show a large orange circle labeled “Conventional explosive” with a series of black dots around its edge, labeled “Detonators,” and a yellow starburst behind it. White arrows face from the outer edge of the orange circle to a blue circle in the center with a yellow core. The blue circle is labeled “plutonium 239” while the yellow core is labeled “beryllium, dash, polonium initiator.” A black and white photo next to this diagram shows a far-off shot of a giant rising cloud over a landscape.

    Figura \(\PageIndex{6}\): (a) La bomba de fisión nuclear que destruyó Hiroshima el 6 de agosto de 1945, consistió en dos masas subcríticas de U-235, donde se utilizaron explosivos convencionales para disparar una de las masas subcríticas contra la otra, formando la masa crítica para la explosión nuclear. (b) La bomba de plutonio que destruyó Nagasaki el 12 de agosto de 1945, consistía en una esfera hueca de plutonio que fue rápidamente comprimida por explosivos convencionales. Esto produjo una concentración de plutonio en el centro mayor que la masa crítica necesaria para la explosión nuclear.

    Los reactores de fisión

    Las reacciones en cadena de materiales fisionables se pueden controlar y mantener sin una explosión en un reactor nuclear (Figura \(\PageIndex{7}\)). Cualquier reactor nuclear que produzca energía usando la fisión de uranio o plutonio por bombardeo con neutrones necesita tener al menos cinco componentes: combustible nuclear consistente en material fisionable, un moderador nuclear, refrigerante del reactor, barras de control, un escudo y un sistema de contención. Discutiremos estos componentes con mayor detalle más adelante en la sección. El reactor funciona separando el material nuclear fisionable de manera que no se pueda formar una masa crítica, controlando tanto el flujo como la absorción de neutrones para detener las reacciones de fisión. En un reactor nuclear utilizado para la producción de la electricidad, la energía liberada por las reacciones de fisión queda atrapada como energía térmica y se utiliza para hervir el agua y formar vapor. El vapor se utiliza para hacer girar una turbina, que le da energía a un generador para producir la electricidad.

    A photo labeled “a” and a diagram labeled “b” is shown. The photo is of a power plant with two large white domes and many buildings. The diagram shows a cylindrical container with thick walls labeled “Walls made of concrete and steel” and three main components inside. The first of these components is a pair of tall cylinders labeled “Steam generators” that sit to either side of a shorter cylinder labeled “Core.” Next to the core is a thin cylinder labeled “Pressurizer.” To the left of the outer walls is a set of pistons labeled “Turbines” that sit above a series of other equipment.

    Figura \(\PageIndex{7}\): (a) La planta de energía nuclear Diablo Canyon, cerca de San Luis Obispo, es la única planta de energía nuclear actualmente en funcionamiento en California. Las cúpulas son las estructuras de contención de los reactores nucleares, y el edificio de color marrón alberga la turbina donde se genera la electricidad. El agua del océano se usa para enfriar. (b) El Diablo Canyon utiliza un reactor de agua a presión, uno de los pocos diseños de reactores de fisión diferentes que se utilizan en todo el mundo, para producir electricidad. La energía de las reacciones de fisión nuclear en el núcleo calienta el agua en un sistema cerrado presurizado. El calor de este sistema produce vapor que impulsa una turbina, que a su vez produce electricidad. (crédito a: modificación del trabajo de "Mike" Michael L. Baird; crédito b: modificación del trabajo de la Comisión Reguladora Nuclear)

    Los combustibles nucleares

    El combustible nuclear consiste en un isótopo fisionable, como el uranio-235, que debe estar presente en cantidad suficiente para producir una reacción en cadena autosostenida. En los Estados Unidos, los minerales de uranio contienen entre un 0.05 y un 0.3% del óxido de uranio U3O8; el uranio en el mineral es aproximadamente 99.3% de U-238 no fisionable con solo 0.7% de U-235 fisionable. Los reactores nucleares necesitan un combustible con una concentración U-235 mayor que la que se encuentra en la naturaleza; normalmente está enriquecido para tener aproximadamente un 5% de la masa de uranio como U-235. A esta concentración, no es posible alcanzar la masa supercrítica necesaria para una explosión nuclear. El uranio se puede enriquecer mediante la difusión gaseosa (el único método que se utiliza actualmente en los EE. UU.), utilizando una centrífuga de gas o usando la separación con láser.

    En la planta de enriquecimiento por difusión gaseosa donde se prepara el combustible U-235, el gas UF6 (hexafluoruro de uranio) a baja presión se mueve a través de barreras que tienen orificios lo suficientemente grandes como para que pase el UF6. Las moléculas de 235UF6 un poco más ligeras se difunden a través de la barrera un poco más rápido que las moléculas de 238UF6 más pesadas. Este proceso se repite a través de cientos de barreras, aumentando gradualmente la concentración de 235UF6 hasta alcanzar el nivel que necesita el reactor nuclear. La ley de Graham, que es la base para este experimento se describe en el capítulo sobre los gases. El gas UF6 enriquecido se recolecta, se enfría hasta que se solidifica y luego se lleva a una planta de fabricación donde se convierte en combustibles. Cada conjunto de combustible consiste en barras de combustible que contienen muchas pastillas de combustible de uranio enriquecido (generalmente UO2) del tamaño de un dedal, cubiertas por cerámica. Los reactores nucleares modernos pueden contener hasta 10 millones de pastillas de combustible. La cantidad de energía en cada uno de estos gránulos es igual a la de casi una tonelada de carbón o 150 galones de aceite.

    Los moderadores nucleares

    Los neutrones producidos por las reacciones nucleares se mueven demasiado rápido para causar la fisión (Figura 21.5.5). Primero se necesita reducir la velocidad para que sean absorbidos por el combustible y producen reacciones nucleares adicionales. Un moderador nuclear es una sustancia que reduce la velocidad de los neutrones lo suficientemente baja para causar la fisión. Los primeros reactores utilizaron grafito de alta pureza como un moderador. Los reactores modernos de EE.UU. utilizan exclusivamente agua pesada \(\ce{(^2_1H2O)}\) o agua ligera (H2O ordinaria), mientras que algunos reactores de otros países utilizan otros materiales, como el dióxido de carbono, berilio o grafito.

    Los refrigerantes de los reactores

    El refrigerante de un reactor nuclear se utiliza para transportar el calor producido por la reacción de fisión a una caldera y una turbina externas, donde se transforma en electricidad. A veces se utilizan dos circuitos de refrigerante superpuestos; esto contrarresta la transferencia de radiactividad del reactor al circuito de refrigerante primario. Todas las plantas de energía nuclear de EE.UU. utilizan el agua como un refrigerante. Otros refrigerantes incluyen el sodio fundido, plomo, una mezcla de plomo y bismuto o sales fundidas.

    Las barras de control

    Los reactores nucleares usan barras de control (Figura \(\PageIndex{8}\)) para controlar la velocidad de la fisión del combustible nuclear ajustando el número de neutrones lentos presentes para mantener la velocidad de la reacción en cadena a un nivel seguro. Las barras de control están hechas de boro, cadmio, hafnio u otros elementos que pueden absorber los neutrones. El boro-10, por ejemplo, absorbe los neutrones usando una reacción que produce litio-7 y partículas alfa:

    \[\ce{^{10}_5B + ^1_0n⟶ ^7_3Li + ^4_2He}\]

    Cuando se inserta un conjunto de grupo de barras de control en el elemento combustible en el núcleo del reactor, absorben una fracción mayor de los neutrones lentos, esto reduce la velocidad de la reacción de fisión y disminuye la potencia producida. Por el contrario, si se eliminan las barras de control, se absorben menos neutrones y aumentan la tasa de fisión y la producción de energía. En el caso de una emergencia, la reacción en cadena se puede detener insertando completamente todas las barras de control en el núcleo nuclear entre las barras de combustible.

    Two diagrams are shown and labeled “a” and “b.” Diagram a shows a cut-away view of a vertical tube with a flat, horizontal plate near the bottom that connects to a series of vertical pipes lined up next to one another and labeled “Fuel rods.” A second horizontal plate labeled “Grid” lies at the top of the pipes and a second set of thinner, vertical pipes, labeled “Control rods,” leads from this plate to the top of the container. The walls of the container are labeled “Steel pressure vessel.” A blue, right-facing arrow leads from an entry point in the left side of the container and is followed by a second, down-facing blue arrow and a curved, right-facing arrow that trace along the outer, bottom edge of the container. A blue and red arrow follows these and faces up the right side of the container to an exit near the right face where a red, right-facing arrow leads out. Diagram b is a cut-away image of a vertical, rectangular, three dimensional set of vertical pipes. The pipes are labeled “Fuel rods” and are inserted into an upper and lower horizontal plate labeled “Grid.” Four thin rods extend above the pipes and are labeled “Control rods.

    Figura \(\PageIndex{8}\): El centro del reactor nuclear que se muestra en (a) contiene el conjunto de barra de control y combustible que se muestra en (b). (crédito: modificación del trabajo de E. Generalic, glossary.periodni.com/glossar...en=control+rod)

    El sistema de protección y contención

    Durante su funcionamiento, un reactor nuclear produce neutrones y otras radiaciones. Incluso cuando se apaga, los productos de desintegración son radiactivos. Además, un reactor en funcionamiento está térmicamente muy caliente y las altas presiones resultan de la circulación de agua u otro refrigerante a través de él. Por tanto, necesita soportar altas temperaturas y presiones, y debe proteger al personal operativo de la radiación. Los reactores están equipados con un sistema de contención (o escudo) que consiste en tres partes:

    1. La vasija del reactor, una carcasa de acero que tiene entre 3 y 20 centímetros de espesor y, con el moderador, absorbe la gran parte de la radiación producida por el reactor
    2. Un escudo principal de 1 a 3 metros de hormigón de alta densidad
    3. Un escudo personal de materiales más ligeros que protege a los operadores de los rayos γ y los rayos X

    Además, los reactores normalmente están cubiertos con una cúpula de acero o de hormigón que está diseñada para contener cualquier material radiactivo que se puede liberar por un accidente del reactor.

    Vídeo \(\PageIndex{1}\): Haga clic aquí para ver un vídeo de 3 minutos del Instituto de Energía Nuclear sobre cómo funcionan los reactores nucleares.

    Las plantas de energía nuclear están diseñadas de tal manera que no pueden formar una masa supercrítica de material fisionable y por eso no pueden causar una explosión nuclear. Pero como ha demostrado la historia, las fallas de los sistemas y las salvaguardas pueden causar accidentes catastróficos, incluidas las explosiones químicas y las fusiones nucleares (daños en el centro del reactor causado por el sobrecalentamiento). La siguiente función de Química en la vida cotidiana explora los tres infames incidentes de fusión.

    Los accidentes nucleares

    La importancia del enfriamiento y la contención se ilustran por tres accidentes importantes que ocurrieron con los reactores nucleares en centrales nucleares en los Estados Unidos (Three Mile Island), la antigua Unión Soviética (Chernobyl) y Japón (Fukushima).

    En marzo de 1979, falló el sistema de enfriamiento del reactor de la Unidad 2 en la Estación de Generación Nuclear de Three Mile Island en Pensilvania, y el agua de enfriamiento se derramó del reactor al piso del edificio de contención. Después de que las bombas se detuvieron, los reactores se sobrecalentaron debido al alto calor de desintegración radiactivo producido en los primeros días después del cierre del reactor nuclear. La temperatura del núcleo subió a al menos 2200 °C y la parte superior del núcleo se comenzó a derretir. Además, el revestimiento de aleación de circonio de las barras de combustible comenzó a reaccionar con el vapor y formo el hidrógeno:

    \[\ce{Zr}(s)+\ce{2H2O}(g)⟶\ce{ZrO2}(s)+\ce{2H2}(g)\]

    El hidrógeno se acumuló en el edificio de confinamiento y se temía que habría peligro de explosión de la mezcla de hidrógeno y aire en el edificio. En consecuencia, se expulsó del edificio el gas hidrógeno y otros gases radiactivos (principalmente criptón y xenón). En una semana, se restauró la circulación del agua de refrigeración y el núcleo comenzó a enfriarse. La planta estuvo cerrada durante casi 10 años durante el proceso de limpieza.

    Aunque una descarga cero de material radiactivo se desea, la descarga de criptón y xenón radiactivos, como la que se formó en la planta de Three Mile Island, se encuentra entre las más tolerables. Estos gases se dispersan fácilmente en la atmósfera y por eso no producen áreas altamente radiactivas. Además, son gases nobles y no son parte de la materia vegetal y animal en la cadena alimentaria. Efectivamente, ninguno de los elementos pesados del núcleo del reactor se liberó al medio ambiente y no fue necesaria ninguna limpieza del área exterior del edificio de contención (Figura \(\PageIndex{9}\)).

    Two photos, labeled “a” and “b” are shown. Photo a is an aerial view of a nuclear power plant. Photo b shows a small group of men walking through a room filled with electronics.

    Figura \(\PageIndex{9}\): (a) En esta foto de 2010 de Three Mile Island, las estructuras restantes del reactor dañado de la Unidad 2 se ven a la izquierda, mientras que el reactor separado de la Unidad 1, que no fue afectado por el accidente, sigue generando energía hasta el día de hoy (derecha). (b) El presidente Jimmy Carter visitó la sala de control de la Unidad 2 unos días después del accidente en 1979.

    Otro accidente nuclear importante que involucró un reactor ocurrió en abril de 1986, en la planta de energía nuclear de Chernobyl en Ucrania, que todavía era parte de la ex Unión Soviética. Mientras operaba a baja potencia durante un experimento no autorizado con algunos de sus dispositivos de seguridad apagados, uno de los reactores de la planta se volvió inestable. Su reacción en cadena se volvió incontrolable y aumentó a un nivel mucho más allá de lo que fue diseñado para el reactor. La presión del vapor en el reactor se elevó entre 100 y 500 veces la presión de máxima potencia y rompió el reactor. Debido a que el reactor no estaba encerrado en un edificio de contención, se arrojó una gran cantidad de material radiactivo y se liberaron productos de fisión adicionales, porque el moderador de grafito (carbono) del núcleo se encendió y se quemó. El fuego se controló, pero más de 200 trabajadores de la planta y bomberos desarrollaron enfermedad causada por radiación y al menos 32 murieron pronto a causa de los efectos de la radiación. Se prevé que se producirán unas 4000 muertes más entre los trabajadores de emergencia y los ex residentes de Chernobyl por cáncer y leucemia inducidos por la radiación. Desde entonces, el reactor ha sido encapsulado en acero y hormigón, una estructura ahora en descomposición conocida como sarcófago. Casi 30 años después, todavía persisten importantes problemas de radiación en la zona, y Chernobyl sigue siendo en gran parte un páramo.

    En 2011, la central nuclear de Fukushima Daiichi en Japón se dañó gravemente por un terremoto de magnitud 9.0 y el tsunami que resulto del terremoto. Los tres reactores que estaban en funcionamiento en ese momento se apagaron automáticamente y los generadores de emergencia se conectaron a la electrónica de potencia y los sistemas de refrigeración. Sin embargo, el tsunami inundó rápidamente los generadores de emergencia y cortó la energía de las bombas que circulaban agua refrigerante a través de los reactores. El vapor de alta temperatura en los reactores reaccionó con una aleación de circonio para producir gas hidrógeno. El gas escapó al edificio de contención y la mezcla de hidrógeno y aire explotó. El material radiactivo se liberó de los recipientes de contención como resultado de la ventilación deliberada para reducir la presión del hidrógeno, la descarga deliberada de agua refrigerante en el mar y eventos accidentales o incontrolados.

    Una zona de evacuación alrededor de la planta dañada se extendió a más de 20 kilómetros de distancia, y se estima que 200,000 personas fueron evacuadas del área. Las 48 plantas de energía nuclear de Japón fueron cerradas después de este incidente, permaneciendo cerradas desde diciembre de 2014. Desde el desastre, la opinión pública ha pasado de favorecer en gran medida a oponer en gran medida al aumento del uso de plantas de energía nuclear, y el programa de energía atómica de Japón todavía está detenido (Figura \(\PageIndex{10}\)).

    A photo and a map, labeled “a” and “b,” respectively, are shown. Photo a shows a man in a body-covering safety suit working near a series of blue, plastic coated containers. Map b shows a section of land with the ocean on each side. Near the upper right side of the land is a small red dot, labeled “greater than, 12.5, m R backslash, h r,” that is surrounded by a zone of orange that extends in the upper left direction labeled “2.17, dash, 12.5, m R backslash, h r.” The orange is surrounded by an outline of yellow labeled “1.19, dash, 2.17, m R backslash, h r” and a wider outline of green labeled “0.25, dash, 1.19, m R backslash, h r.” A large area of light blue, labeled “0.03, dash, 0.25, m R backslash, h r” surrounds the green area and extends to the lower middle of the map. A large section of the lower middle and left of the land is covered by dark blue, labeled “less than 0.03, m R backslash, h r.”

    Figura \(\PageIndex{10}\): (a) Después del accidente, se tuvieron que quitar los desechos contaminados y (b) Se habilitó una zona de evacuación alrededor de la planta en áreas que recibieron fuertes dosis de lluvia radiactiva. (crédito a: modificación del trabajo de "Live Action Hero"/Flickr)

    La energía producida por un reactor alimentado por uranio enriquecido es el resultado de la fisión del uranio y de la fisión del plutonio que se produce durante el funcionamiento del reactor. Como se discutió anteriormente, el plutonio se forma a partir de la combinación de los neutrones y uranio en el combustible. En cualquier reactor nuclear, solo alrededor del 0.1% de la masa del combustible se convierte en energía. El 99.9% restante permanece en las barras de combustible como productos de fisión y combustible no utilizado. Todos los productos de fisión absorben los neutrones y, después de un período de varios meses a algunos años, dependiendo del reactor, los productos de fisión se deben eliminar cambiando las barras de combustible. De lo contrario, la concentración de estos productos de fisión aumentaría y absorbería más neutrones hasta que el reactor ya no pueda funcionar.

    Las barras de combustible gastadas contienen una variedad de productos, que consisten en núcleos inestables que varían en número atómico de 25 a 60, algunos elementos de transuranio, incluidos plutonio y americio, e isótopos de uranio sin reaccionar. Los núcleos inestables y los isótopos transuránicos dan al combustible gastado un nivel peligrosamente alto de radiactividad. Los isótopos de larga vida necesitan miles de años para descomponerse a un nivel seguro. La decisión final del reactor nuclear como una fuente importante de energía en los Estados Unidos probablemente dependa de si se puede desarrollar o no una técnica política y científicamente satisfactoria para procesar y almacenar los componentes de las barras de combustible gastadas.

    Los reactores de fusión nuclear

    El proceso de convertir núcleos muy ligeros en núcleos más pesados también se acompaña por la conversión de masa en grandes cantidades de energía, un proceso llamado la fusión. La principal fuente de energía del sol es una reacción de fusión neta en la cual cuatro núcleos de hidrógeno se fusionan y producen un núcleo de helio y dos positrones. Esta es una reacción neta de una serie de eventos más complicados:

    \[\ce{4^1_1H ⟶ ^4_2He + 2^0_{+1}}\]

    Un núcleo de helio tiene una masa 0.7% menor que la de cuatro núcleos de hidrógeno; esta masa perdida se convierte en energía durante la fusión. Esta reacción produce aproximadamente 3.6 × 1011 kJ de energía por mol de \(\ce{^4_2He}\) producido. Esto es un poco más que la energía producida por la fisión nuclear de un mol de U-235 (1.8 × 1010 kJ), y más de 3 millones de veces más que la energía producida por la combustión (química) de un mol de octano (5471 kJ ).

    Se ha determinado que los núcleos de los isótopos pesados de hidrógeno, un deuterón, \(^2_1\) y un tritón, \(^3_1\), se fusionan a temperaturas extremadamente altas (fusión termonuclear). Forman un núcleo de helio y un neutrón:

    \[\ce{^2_1H + ^3_1H ⟶ ^4_2He + 2^1_0n}\]

    Este cambio procede con una pérdida de masa de 0.0188 amu, correspondiente a la liberación de 1.69 × 109 kilojulios por mol de \(\ce{^4_2He}\) formado. La temperatura muy alta se necesita para darles a los núcleos suficiente energía cinética para superar las fuerzas repulsivas muy fuertes que resultan de las cargas positivas en sus núcleos para que puedan colisionar.

    Las reacciones de fusión útiles requieren temperaturas muy altas para su iniciación, alrededor de 15,000,000 K o más. A estas temperaturas, todas las moléculas se disocian en átomos y los átomos se ionizan formando plasma. Estas condiciones ocurren en un número extremadamente grande de lugares en todo el universo: las estrellas son impulsadas por la fusión. Los humanos ya han descubierto cómo crear temperaturas lo suficientemente altas como para lograr la fusión a una gran escala en las armas termonucleares. Un arma termonuclear como una bomba de hidrógeno contiene una bomba de fisión nuclear que, cuando explota, emite suficiente energía para producir las temperaturas extremadamente altas necesarias para que se produzca la fusión.

    Otra forma mucho más beneficiosa de crear reacciones de fusión es en un reactor de fusión, un reactor nuclear en el que se controlan las reacciones de fusión de núcleos ligeros. Debido a que ningún material sólido es estable a temperaturas tan altas, los dispositivos mecánicos no pueden contener el plasma en el que ocurren las reacciones de fusión. Corrientemente, dos técnicas para contener la plasma a la densidad y temperatura necesarias para una reacción de fusión son el foco de intensos esfuerzos de investigación: la contención mediante un campo magnético y el uso de rayos láser enfocados (Figura \(\PageIndex{11}\)). Varios grandes proyectos están trabajando para lograr uno de los mayores objetivos de la ciencia: hacer que el combustible de hidrógeno se encienda y produzca más energía que la cantidad suministrada para alcanzar las temperaturas y presiones extremadamente altas que se requieren para la fusión. En el momento de escribir este artículo, no hay reactores de fusión autosuficientes en funcionamiento en el mundo, aunque se han realizado reacciones de fusión controladas a pequeña escala durante períodos muy breves.

    Two photos are shown and labeled “a” and “b.” Photo a shows a model of the ITER reactor made up of colorful components. Photo b shows a close-up view of the end of a long, mechanical arm made up of many metal components.

    Figura \(\PageIndex{11}\): (a) Este modelo es del reactor del Reactor Experimental Termonuclear Internacional (ITER). Corrientemente en construcción en el sur de Francia con una fecha de finalización prevista para 2027, el ITER será el reactor de fusión nuclear Tokamak experimental más grande del mundo con el objetivo de lograr una producción de energía sostenida a una gran escala. (b) En 2012, la Instalación Nacional de Ignición en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore produjo por un poco tiempo más de 500,000,000,000 vatios (500 teravatios o 500 TW) de potencia máxima y produjo 1,850,000 julios (1,85 MJ) de energía, la energía láser más grande producida y 1000 veces el uso de energía de todo Estados Unidos en un momento dado. Aunque duraron solo unas mil millonésimas de segundo, los 192 láseres alcanzaron las condiciones necesarias para el encendido por fusión nuclear. Esta imagen muestra el objetivo antes del disparo láser. (crédito a: modificación del trabajo de Stephan Mosel)

    Resumen

    Se pueden producir nuevos átomos bombardeando otros átomos con núcleos o partículas de alta velocidad. Los productos de estas reacciones de transmutación pueden ser estables o radiactivos. De esta manera se han producido varios elementos artificiales, incluidos tecnecio, astato y transuranio.

    La energía nuclear, así como las detonaciones de armas nucleares, se pueden generar usando la fisión (reacciones en las que un núcleo pesado se divide en dos o más núcleos más ligeros y varios neutrones). Debido a que los neutrones pueden inducir reacciones de fisión adicionales cuando se combinan con otros núcleos pesados, se puede producir una reacción en cadena. La potencia útil se obtiene si el proceso de fisión se realiza en un reactor nuclear. La conversión de los núcleos ligeros en núcleos más pesados (fusión) también produce energía. Actualmente, esta energía no se ha contenido adecuadamente y es demasiado cara para ser viable para la producción comercial de la energía.

    Glosario

    reacción en cadena
    la fisión repetida causada cuando los neutrones liberados en la fisión bombardean otros átomos
    sistema de contención
    (también, escudo) una estructura de tres partes de materiales que protege el exterior de un reactor de fisión nuclear y al personal operativo de las altas temperaturas, presiones y niveles de radiación dentro del reactor
    barra de control
    material insertado en el conjunto del combustible que absorbe los neutrones y se puede subir o bajar para ajustar la velocidad de una reacción de fisión
    masa critica
    cantidad de material fisionable que puede producir una reacción en cadena autosostenida (fisión nuclear)
    fisionable

    cuando un material es capaz de sostener una reacción de fisión nuclear

    la fisión
    la división de un núcleo más pesado en dos o más núcleos más ligeros, generalmente acompañado de la conversión de masa en grandes cantidades de energía
    la fusión
    la combinación de núcleos muy ligeros en núcleos más pesados, acompañada por la conversión de masa en grandes cantidades de energía
    el reactor de fusión
    el reactor nuclear en el que se controlan las reacciones de fusión de núcleos ligeros
    el combustible nuclear
    el isótopo fisionable presente en cantidades suficientes para producir una reacción en cadena autosostenida en un reactor nuclear
    el moderador nuclear
    la sustancia que ralentiza los neutrones a una velocidad lo suficientemente baja como para causar la fisión
    el reactor nuclear
    el entorno que produce energía a través de la fisión nuclear en el que la reacción en cadena se controla y se mantiene sin explosión
    la transmutación nuclear
    la conversión de un nucleido en otro nucleido
    el acelerador de partículas
    un dispositivo que usa campos eléctricos y magnéticos para aumentar la energía cinética de los núcleos usados en las reacciones de transmutación
    el refrigerante del reactor
    el conjunto usado para llevar el calor producido por la fisión en un reactor a una caldera y turbina externas donde se transforma en electricidad
    la masa subcrítica
    la cantidad de material fisionable que no puede sostener una reacción en cadena; menos que una masa crítica
    la masa supercrítica
    la cantidad de material en el que hay una tasa creciente de fisión
    la reacción de transmutación
    el bombardeo de un tipo de núcleos con otros núcleos o neutrones
    el elemento transuranio

    el elemento con un número atómico mayor que 92; estos elementos no ocurren en la naturaleza

    Contribuyentes y atribuciones

    • Paul Flowers (Universidad de Carolina del Norte - Pembroke), Klaus Theopold (Universidad de Delaware) y Richard Langley (Stephen F. Austin Universidad del Estado) con autores contribuyentes. Contenido del libro de texto producido por la Universidad de OpenStax tiene licencia de Atribución de Creative Commons Licencia 4.0 licencia. Descarge gratis en http://cnx.org/contents/85abf193-2bd...a7ac8df6@9.110)."

    • Ana Martinez (amartinez02@saintmarys.edu) contribuyó a la traducción de este texto.