21.4: Transmutación y Energía Nuclear

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Objetivos de aprendizaje

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

Después del descubrimiento de la radiactividad, el campo de la química nuclear fue creado y desarrollado rápidamente a principios del siglo XX. Una serie de nuevos descubrimientos en las décadas de 1930 y 1940, junto con la Segunda Guerra Mundial, combinados para marcar el comienzo de la Era Nuclear a mediados del siglo XX. La ciencia aprendió a crear nuevas sustancias, y se encontró que ciertos isótopos de ciertos elementos poseen la capacidad de producir cantidades de energía sin precedentes, con el potencial de causar tremendos daños durante la guerra, así como producir enormes cantidades de poder para las necesidades de la sociedad durante la paz.

Síntesis de Nuclidos

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 mediante una reacción de transmutación, el bombardeo de un tipo de núcleos con otros núcleos o con neutrones. Rutherford bombardeó átomos de nitrógeno con partículas α de alta velocidad de un isótopo radiactivo natural de radio y observó protones resultantes de la reacción:

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

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

Para alcanzar las energías cinéticas necesarias para producir reacciones de transmutación, se utilizan dispositivos llamados aceleradores de partículas. Estos dispositivos utilizan campos magnéticos y eléctricos para aumentar las velocidades de las partículas nucleares. En todos los aceleradores, las partículas se mueven al vacío para evitar colisiones con moléculas de gas. Cuando se requieren neutrones para las reacciones de transmutación, generalmente se obtienen de reacciones de desintegración radiactiva o de diversas reacciones nucleares que ocurren en reactores nucleares. La característica Química en la vida cotidiana que sigue analiza un famoso acelerador de partículas que fue noticia mundial.

Acelerador de partículas CERN

Ubicado cerca de Ginebra, el Laboratorio 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 impulsadas a altas energías y luego se hacen colisionar entre sí o con objetivos estacionarios a casi la velocidad de la luz. Los electroimanes superconductores se utilizan para producir un campo magnético fuerte que guía las partículas alrededor del anillo. Detectores especializados diseñados específicamente observan y registran los resultados de estas colisiones, que luego son analizadas por científicos del CERN utilizando computadoras poderosas.

alt — Figura\(\PageIndex{1}\): Se muestra una pequeña sección del LHC con trabajadores que viajan a lo largo de él. (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 partículas fundamentales. Este descubrimiento tan esperado fue noticia mundial y dio como resultado la concesión del Premio Nobel de Física 2103 a François Englert y Peter Higgs, quienes habían pronosticado la existencia de esta partícula casi 50 años antes.

Antes de 1940, el elemento más pesado conocido era el uranio, cuyo número atómico es 92. Ahora, se han sintetizado y aislado muchos elementos artificiales, entre ellos varios a una escala tan grande que han tenido un profundo efecto en la sociedad. Uno de estos, el elemento 93, el neptunio (Np), fue hecho por primera vez en 1940 por McMillan y Abelson bombardeando uranio-238 con neutrones. La reacción crea uranio-239 inestable, con una vida media de 23.5 minutos, que luego se descompone en neptunio-239. 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} &&\\ [4pt]
&\ ce {^ {239} _ {92} U &⟶ ^ {239} _ {93} Np + ^0_ {−1} e\,\,\ mathit {t} _ {1/2}} &&\ textrm {vida media} =\ mathrm {23.5\: min}\\\ [4pt]
&\ ce {^ {239} _ {93} Np &⟶ ^ {239} _ {94} Pu + ^0_ {−1 } e\,\,\ mathit {t} _ {1/2}} &&\ textrm {vida media} =\ mathrm {2.36\: días}
\ end {align*}\ nonumber\]

El plutonio ahora se forma principalmente en reactores nucleares como subproducto durante la desintegración del uranio. Algunos de los neutrones que se liberan durante la desintegración U-235 se combinan con los núcleos U-238 para formar uranio-239; esto experimenta una desintegración β para formar neptunio-239, que a su vez sufre una desintegración β para formar plutonio-239 como se ilustra en las tres ecuaciones anteriores. Es posible resumir estas ecuaciones como:

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

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 utiliza para producir armas militares, y el resto presenta un grave 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 a partir de la capacidad de convertir átomos de un tipo en otros tipos de átomos. Los isótopos radiactivos de varias docenas de elementos se utilizan actualmente para aplicaciones médicas. La radiación producida por su descomposición se utiliza para obtener imágenes o tratar diversos órganos o porciones del cuerpo, entre otros usos.

Los elementos más allá del elemento 92 (uranio) se denominan elementos transuránicos. Al momento de escribir este artículo, 22 elementos transuránicos han sido producidos y reconocidos oficialmente por la IUPAC; varios otros elementos tienen reclamos de formación que están a la espera de su aprobación. Algunos de estos elementos se muestran en la Tabla\(\PageIndex{1}\).

Tabla\(\PageIndex{1}\): Preparación de algunos de los elementos del transuranio
Nombre	Símbolo	Número atómico	Reacción
americio	Am	95	\(\ce{^{239}_{94}Pu + ^1_0n ⟶ ^{240}_{95}Am + ^0_{−1}e}\)
curium	Cm	96	\(\ce{^{239}_{94}Pu + ^4_2He ⟶ ^{242}_{96}Cm + ^1_0n}\)
californio	Cf	98	\(\ce{^{242}_{96}Cm + ^4_2He⟶ ^{245}_{98}Cf + ^1_0n}\)
einsteinium	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	\(\ce{^{246}_{96}Cm + ^{12}_6C ⟶ ^{254}_{102}No + 4 ^1_0n}\)
rutherfordium	Rf	104	\(\ce{^{249}_{98}Cf + ^{12}_6C⟶ ^{257}_{104}Rf + 4 ^1_0n}\)
Seaborgium	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	\(\ce{^{209}_{83}Bi + ^{58}_{26}Fe ⟶ ^{266}_{109}Mt + ^1_0n}\)

Fsión nuclear

Muchos elementos más pesados con energías de unión más pequeñas por nucleón pueden descomponerse en elementos más estables que tienen números de masa intermedios y mayores energías de unión por núcleo, es decir, números de masa y energías de unión por nucleón que están más cerca del “pico” del gráfico de energía de unión cerca de 56. A veces también se producen neutrones. A esta descomposición se le llama fisión, la ruptura de un núcleo grande en trozos más pequeños. El rompimiento es bastante aleatorio con la formación de un gran número de productos diferentes. La fisión generalmente no ocurre de forma natural, sino que es inducida por el 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 U-238 en fragmentos más pequeños que consistían en varios neutrones y elementos cerca de la mitad del periódico mesa. Desde entonces, se ha observado fisión en muchos otros isótopos, incluyendo la mayoría de los isótopos de actínidos que tienen un número impar de neutrones. En la Figura se muestra una reacción típica de fisión nuclear\(\PageIndex{2}\).

Figura\(\PageIndex{2}\): Cuando un neutrón lento golpea un núcleo U-235 fisionable, se absorbe y forma un núcleo 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 una cantidad muy grande de energía.

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

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

Una tremenda cantidad de energía es producida por la fisión de elementos pesados. Por ejemplo, cuando un mol de U-235 sufre fisión, los productos pesan aproximadamente 0.2 gramos menos que los reactivos; esta masa “perdida” se convierte en una cantidad muy grande de energía, aproximadamente 1.8 × 10 ¹⁰ 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, al someterse a fisión el U-235 produce dos núcleos “medianos”, y dos o tres neutrones. Estos neutrones pueden entonces causar la fisión de otros átomos de uranio-235, que a su vez proporcionan más neutrones que pueden causar fisión de aún más núcleos, y así sucesivamente. Si esto ocurre, tenemos una re acción de cadena nuclear (Figura\(\PageIndex{4}\)). Por otro lado, si demasiados neutrones escapan del material a granel sin interactuar con un núcleo, entonces no se producirá ninguna reacción en cadena.

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 provocar la fisión de otro núcleo por las reacciones mostradas. Si este proceso continúa, se produce una reacción nuclear en cadena.

Se dice que el material que puede sostener una reacción en cadena de fisión nuclear es fisible o fisionable. (Técnicamente, el material fisionable puede sufrir fisión con neutrones de cualquier energía, mientras que el material fisionable requiere neutrones de alta energía). La fisión nuclear se vuelve autosostenible cuando el número de neutrones producidos por la fisión es igual o superior al número de neutrones absorbidos por la división de núcleos más el número que escapan al entorno. La cantidad de un 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 creciente de fisión se conoce como 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 neutrones (Figura\(\PageIndex{5}\)).

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

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

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

Reactores de fisión

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

Figura\(\PageIndex{7}\): (a) La Central Nuclear Diablo Canyon, cerca de San Luis Obispo, es la única central nuclear actualmente en operación en California. Las cúpulas son las estructuras de contención para los reactores nucleares, y el edificio marrón alberga la turbina donde se genera la electricidad. El agua del océano se utiliza para enfriar. b) El Cañón Diablo utiliza un reactor de agua a presión, uno de los pocos diseños diferentes de reactores de fisión 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 y presurizado. El calor de este sistema produce vapor que impulsa una turbina, que a su vez produce electricidad. (crédito a: modificación de obra de “Mike” Michael L. Baird; crédito b: modificación de trabajo por parte de la Comisión Reguladora Nuclear)

Combustibles Nucleares

El combustible nuclear consiste en un isótopo fisionable, como el uranio-235, que debe estar presente en cantidad suficiente para proporcionar una reacción en cadena autosustentable. En Estados Unidos, los minerales de uranio contienen de 0.05— 0.3% del óxido de uranio U ₃ O ₈; el uranio en el mineral es aproximadamente 99.3% no fisionable U-238 con solo 0.7% fisionable U-235. Los reactores nucleares requieren un combustible con una mayor concentración de U-235 que la que se encuentra en la naturaleza; normalmente se enriquece para tener aproximadamente 5% de masa de uranio como U-235. A esta concentración, no es posible lograr la masa supercrítica necesaria para una explosión nuclear. El uranio se puede enriquecer por difusión gaseosa (el único método utilizado actualmente en Estados Unidos), usando una centrífuga de gas, o por separación láser.

En la planta de enriquecimiento por difusión gaseosa donde se prepara el combustible U-235, el gas UF ₆ (hexafluoruro de uranio) a baja presión se mueve a través de barreras que tienen agujeros apenas lo suficientemente grandes para que pase el UF ₆. Las moléculas ²³⁵ UF ₆ ligeramente más ligeras difunden a través de la barrera un poco más rápido que las moléculas ²³⁸ UF ₆ más pesadas. Este proceso se repite a través de cientos de barreras, aumentando gradualmente la concentración de ²³⁵ UF ₆ al nivel que necesita el reactor nuclear. El fundamento de este proceso, la ley de Graham, se describe en el capítulo sobre gases. El gas UF ₆ enriquecido se recoge, se enfría hasta que se solidifica y luego se lleva a una instalación de fabricación donde se convierte en conjuntos de combustible. Cada conjunto de combustible consiste en barras de combustible que contienen muchas pastillas de combustible de uranio enriquecido (generalmente UO ₂) del tamaño del dedal, con revestimiento de cerámica. Los reactores nucleares modernos pueden contener hasta 10 millones de pellets de combustible. La cantidad de energía en cada uno de estos pellets es igual a la de casi una tonelada de carbón o 150 galones de petróleo.

Moderadores Nucleares

Los neutrones producidos por las reacciones nucleares se mueven demasiado rápido para causar fisión (Figura 21.5.5). Primero deben ser ralentizados para ser absorbidos por el combustible y producir reacciones nucleares adicionales. Un moderador nuclear es una sustancia que ralentiza los neutrones a una velocidad lo suficientemente baja como para causar fisión. Los primeros reactores utilizaron grafito de alta pureza como moderador. Los reactores modernos en Estados Unidos utilizan exclusivamente agua pesada\(\ce{( ^2_1H2O)}\) o agua ligera (H ₂ O ordinaria), mientras que algunos reactores en otros países utilizan otros materiales, como dióxido de carbono, berilio o grafito.

Refrigerantes para Reactores

Un refrigerante de reactor nuclear se utiliza para transportar el calor producido por la reacción de fisión a una caldera externa y turbina, donde se transforma en electricidad. A menudo se utilizan dos bucles de refrigerante superpuestos; esto contrarresta la transferencia de radiactividad del reactor al circuito de refrigerante primario. Todas las centrales nucleares en Estados Unidos utilizan agua como refrigerante. Otros refrigerantes incluyen sodio fundido, plomo, una mezcla de plomo-bismuto o sales fundidas.

Varillas de Control

Los reactores nucleares utilizan barras de control (Figura\(\PageIndex{8}\)) para controlar la velocidad de 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 son capaces de absorber neutrones. El boro-10, por ejemplo, absorbe neutrones mediante una reacción que produce partículas de litio-7 y alfa:

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

Cuando los conjuntos de barras de control se insertan en el elemento combustible en el núcleo del reactor, absorben una fracción mayor de los neutrones lentos, lo que ralentiza 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 la tasa de fisión y la producción de energía aumentan. En caso de emergencia, la reacción en cadena se puede apagar insertando completamente todas las barras de control en el núcleo nuclear entre las barras de combustible.

Figura\(\PageIndex{8}\): El núcleo del reactor nuclear mostrado en (a) contiene el conjunto de combustible y barra de control mostrado en (b). (credito: modificación de obra por E. Generalic, glossary.periodni.com/glossar... es=control+rod)

Blindaje y Sistema de Contención

Durante su operación, un reactor nuclear produce neutrones y otras radiaciones. Incluso cuando están apagados, los productos de desintegración son radiactivos. Además, un reactor operativo es térmicamente muy caliente, y altas presiones resultan de la circulación de agua u otro refrigerante a través del mismo. Así, un reactor debe soportar altas temperaturas y presiones, y debe proteger al personal operativo de la radiación. Los reactores están equipados con un sistema de contención (o blindaje) que consta de tres partes:

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

Además, los reactores suelen estar cubiertos con una cúpula de acero o concreto que está diseñada para contener cualquier material radiactivo que pueda ser liberado por un accidente de reactor.

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

Las centrales nucleares están diseñadas de tal manera que no pueden formar una masa supercrítica de material fisionable y por lo tanto no pueden crear una explosión nuclear. Pero como lo ha demostrado la historia, las fallas de los sistemas y salvaguardas pueden causar accidentes catastróficos, incluyendo explosiones químicas y fusiones nucleares (daños al núcleo del reactor por sobrecalentamiento). El siguiente largometraje de Química en la Vida Cotidiana explora tres infames incidentes de fusión.

Accidentes Nucleares

La importancia de la refrigeración y la contención están ampliamente ilustradas por tres grandes accidentes ocurridos con los reactores nucleares en las estaciones generadoras de energía nuclear en Estados Unidos (Three Mile Island), la ex Unión Soviética (Chernobyl) y Japón (Fukushima).

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

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

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

Si bien es deseable la descarga cero de material radiactivo, la descarga de kriptón radiactivo y xenón, como la ocurrida en la planta de Three Mile Island, se encuentra entre las más tolerables. Estos gases se dispersan fácilmente en la atmósfera y por lo tanto no producen áreas altamente radiactivas. Además, son gases nobles y no se incorporan a la materia vegetal y animal en la cadena alimentaria. Efectivamente, ninguno de los elementos pesados del núcleo del reactor se liberó al ambiente, y no fue necesaria la limpieza del área fuera del edificio de contención (Figura\(\PageIndex{9}\)).

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, no afectado por el accidente, continúa generando energía hasta el día de hoy (derecha). b) El presidente Jimmy Carter visitó la sala de control de la Unidad 2 pocos días después del accidente de 1979.

Otro accidente nuclear importante que involucró a un reactor ocurrió en abril de 1986, en la Central Nuclear de Chernobyl en Ucrania, que aún formaba 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 el reactor fue diseñado para. La presión de vapor en el reactor se elevó entre 100 y 500 veces la presión de potencia completa 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, ya que el moderador de grafito (carbono) del núcleo se encendió y quemó. El incendio fue controlado, pero más de 200 trabajadores de la planta y bomberos desarrollaron enfermedad aguda por radiación y al menos 32 pronto murieron por los efectos de la radiación. Se pronostica que se producirán alrededor de 4000 muertes más entre los trabajadores de emergencia y ex residentes de Chernobyl por cáncer y leucemia inducidos por radiación. Desde entonces, el reactor ha sido encapsulado en acero y hormigón, una estructura ahora en descomposición conocida como sarcófago. Casi 30 años después, aún persisten importantes problemas de radiación en la zona, y Chernobyl sigue siendo en gran parte un páramo.

En 2011, la Central Nuclear Fukushima Daiichi en Japón resultó gravemente dañada por un terremoto de magnitud 9.0 y el tsunami resultante. Tres reactores en funcionamiento en ese momento se apagaron automáticamente, y los generadores de emergencia entraron en línea para alimentar sistemas electrónicos y refrigerantes. Sin embargo, el tsunami inundó rápidamente los generadores de emergencia y cortó la energía a las bombas que circulaban agua refrigerante a través de los reactores. El vapor de alta temperatura en los reactores reaccionó con aleación de circonio para producir gas hidrógeno. El gas escapó al edificio de contención, y la mezcla de hidrógeno y aire explotó. Se liberó material radiactivo de los recipientes de contención como resultado de la ventilación deliberada para reducir la presión de hidrógeno, la descarga deliberada de agua refrigerante al mar y eventos accidentales o incontrolados.

Una zona de evacuación alrededor de la planta dañada se extendió a más de 12.4 millas de distancia, y se estima que 200 mil personas fueron evacuadas de la zona. Posteriormente se cerraron las 48 centrales nucleares de Japón, permaneciendo cerradas a partir de diciembre de 2014. Desde el desastre, la opinión pública ha pasado de favorecer en gran medida a oponerse en gran medida al aumento del uso de las centrales nucleares, y un reinicio del programa de energía atómica de Japón todavía está estancado (Figura\(\PageIndex{10}\)).

Figura\(\PageIndex{10}\): a) Después del accidente, hubo que eliminar los desechos contaminados, y b) se instaló una zona de evacuación alrededor de la planta en áreas que recibieron grandes dosis de lluvia radiactiva. (crédito a: modificación de obra de “Live Action Hero” /Flickr)

La energía producida por un reactor alimentado con uranio enriquecido es el resultado de la fisión del uranio así como de la fisión del plutonio producido mientras el reactor opera. Como se discutió anteriormente, el plutonio se forma a partir de la combinación de neutrones y el uranio en el combustible. En cualquier reactor nuclear, solo alrededor del 0.1% de la masa del combustible se convierte en energía. El otro 99.9% permanece en las barras de combustible como productos de fisión y combustible no utilizado. Todos los productos de fisión absorben neutrones, y después de un periodo de varios meses a algunos años, dependiendo del reactor, los productos de fisión deben eliminarse 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 pudiera operar.

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

Reactores de fusión y fusión nuclear

El proceso de convertir núcleos muy ligeros en núcleos más pesados también va acompañado de la conversión de la masa en grandes cantidades de energía, un proceso llamado fusión. La principal fuente de energía en el sol es una reacción de fusión neta en la que 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 complicada:

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

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 × 10 ¹¹ kJ de energía por mol de\(\ce{^4_2He}\) producido. Esto es algo mayor que la energía producida por la fisión nuclear de un mol de U-235 (1.8 × 10 ¹⁰ kJ), y más de 3 millones de veces mayor 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\(^3_1\), experimentan fusión a temperaturas extremadamente altas (fusión termonuclear). Forman un núcleo de helio y un neutrón:

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

Este cambio procede con una pérdida de masa de 0.0188 amu, correspondiente a la liberación de 1.69 × 10 ⁹ kilojulios por mol de\(\ce{^4_2He}\) formado. La temperatura muy alta es necesaria para dar a los núcleos suficiente energía cinética para superar las fuerzas repulsivas muy fuertes resultantes de las cargas positivas en sus núcleos para que puedan colisionar.

Las reacciones de fusión útiles requieren temperaturas muy altas para su inicio, 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 a lo largo del 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 gran escala en 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 ocurra 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 de luz. 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. Dos técnicas para contener el plasma a la densidad y temperatura necesarias para una reacción de fusión son actualmente el foco de esfuerzos intensivos de investigación: la contención por un campo magnético y por el uso de rayos láser enfocados (Figura\(\PageIndex{11}\)). Una serie de grandes proyectos están trabajando para lograr uno de los mayores objetivos de la ciencia: conseguir que el combustible de hidrógeno se encienda y produzca más energía que la cantidad suministrada para lograr las temperaturas y presiones extremadamente altas que se requieren para la fusión. Al momento de escribir este artículo, no hay reactores de fusión autosostenibles operando en el mundo, aunque las reacciones de fusión controlada a pequeña escala se han llevado a cabo por periodos muy breves.

Figura\(\PageIndex{11}\): (a) Este modelo es del reactor termonuclear experimental internacional (ITER). Actualmente en construcción en el sur de Francia con una fecha prevista de finalización de 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 gran escala. b) En 2012, la Instalación Nacional de Encendido del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore produjo brevemente más de 500,000,000,000 vatios (500 teravatios, o 500 TW) de potencia máxima y entregó 1,850,000 julios (1.85 MJ) de energía, la mayor energía láser jamás producida y 1000 veces el consumo de energía de todo el United Estados en un momento dado. Aunque duraron solo unas billonésimas de segundo, los 192 láseres alcanzaron las condiciones necesarias para la ignición por fusión nuclear. Esta imagen muestra el objetivo previo al disparo láser. (crédito a: modificación de obra de Stephan Mosel)

Resumen

Es posible 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, entre ellos el tecnecio, el astatino y los elementos transuránicos.

La energía nuclear así como las detonaciones de armas nucleares pueden generarse a través de 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, puede resultar una reacción en cadena. Se obtiene energía útil si el proceso de fisión se lleva a cabo en un reactor nuclear. La conversión de núcleos ligeros en núcleos más pesados (fusión) también produce energía. En la actualidad, esta energía no se ha contenido adecuadamente y es demasiado cara para ser factible para la producción comercial de energía.

Glosario

reacción en cadena: fisión repetida causada cuando los neutrones liberados en la fisión bombardean otros átomos

sistema de contención: (también, blindar) una estructura de tres partes de materiales que protege el exterior de un reactor de fisión nuclear y el personal de operación de las altas temperaturas, presiones y niveles de radiación dentro del reactor

barra de control: material insertado en el conjunto de combustible que absorbe neutrones y se puede subir o bajar para ajustar la velocidad de una reacción de fisión

masa crítica: cantidad de material fisionable que apoyará una reacción en cadena autosostenible (fisión nuclear)

fisionables (o fisionables): cuando un material es capaz de sostener una reacción de fisión nuclear

fisión: 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

fusión: combinación de núcleos muy ligeros en núcleos más pesados, acompañada de la conversión de masa en grandes cantidades de energía

reactor de fusión: reactor nuclear en el que se controlan las reacciones de fusión de los núcleos de luz

combustible nuclear: isótopo fisionable presente en cantidades suficientes para proporcionar una reacción en cadena autosostenida en un reactor nuclear

moderador nuclear: sustancia que ralentiza los neutrones a una velocidad lo suficientemente baja como para causar fisión

reactor nuclear: ambiente que produce energía a través de la fisión nuclear en el que la reacción en cadena es controlada y sostenida sin explosión

transmutación nuclear: conversión de un nucleido en otro nucleido

acelerador de partículas: dispositivo que utiliza campos eléctricos y magnéticos para aumentar la energía cinética de los núcleos utilizados en las reacciones de transmutación

refrigerante del reactor: conjunto utilizado para llevar el calor producido por la fisión en un reactor a una caldera externa y turbina donde se transforma en electricidad

masa subcrítica: cantidad de material fisionable que no puede sostener una reacción en cadena; menor que una masa crítica

masa supercrítica: cantidad de material en el que hay una tasa creciente de fisión

reacción de transmutación: bombardeo de un tipo de núcleos con otros núcleos o neutrones

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