Enerxía nuclear

Chámase enerxía nuclear ou enerxía atómica a aquela enerxía que se obtén ao aproveitarse as reaccións nucleares espontáneas ou provocadas polo ser humano. Con todo, este termo engloba outro significado, o aproveitamento de devandita enerxía para outros fins, tales como a obtención de enerxía eléctrica, enerxía térmica e enerxía mecánica a partir de reaccións atómicas, e a súa aplicación, ben sexa con fins pacíficos ou bélicos. Así, é común referirse á enerxía nuclear non só como o resultado dunha reacción senón como un concepto máis amplo que inclúe os coñecementos e técnicas que permiten a utilización desta enerxía por parte do ser humano.
Estas reaccións danse nalgúns isótopos de certos elementos químicos, sendo o máis coñecido deste tipo de enerxía a fisión do uranio-235 (235U), coa que funcionan os reactores nucleares. Con todo, para producir este tipo de enerxía aproveitando reaccións nucleares poden ser empregados moitos outros isótopos de varios elementos químicos, como o torio, o plutonio, o estroncio ou o polonio.
Os dous sistemas cos que pode obterse enerxía nuclear de forma masiva son a fisión nuclear e a fusión nuclear. A enerxía nuclear pode transformarse de forma descontrolada, dando lugar ao armamento nuclear; ou controlada en reactores nucleares nos que se produce enerxía eléctrica, enerxía mecánica ou enerxía térmica. Tanto os materiais empregados como o deseño das instalacións son completamente diferentes en cada caso.
Outra técnica, empregada principalmente en pilas de enorme duración para sistemas que requiren pouco consumo eléctrico, é a utilización de xeradores termoeléctricos de radioisótopos (GTR, ou RTG en inglés), nos que se aproveitan os distintos xeitos de desintegración para xerar electricidade en sistemas de termopares a partir da calor transferida por unha fonte radioactiva.
A enerxía desprendida neses procesos nucleares adoita aparecer en forma de partículas subatómicas en movemento. Esas partículas, ao frearse na materia que as rodea, producen enerxía térmica. Esta enerxía térmica transfórmase en enerxía mecánica utilizando motores de combustión externa, como as turbinas de vapor. Devandita enerxía mecánica pode ser empregada no transporte, por exemplo nos buques nucleares; ou para a xeración de enerxía eléctrica en centrais nucleares.
A principal característica deste tipo de enerxía é a alta calidade da enerxía que pode producirse por unidade de masa de material utilizado en comparación con calquera outro tipo de enerxía coñecida polo ser humano, pero sorprende a pouca eficiencia do proceso, xa que se desaproveita entre un 86% e 92% da enerxía que se libera.
Nas reaccións nucleares adóitase liberar unha grandísima cantidade de enerxía debido en parte á masa de partículas involucradas neste proceso, transfórmase directamente en enerxía. O anterior adóitase explicar baseándose na relación masa-enerxía proposta polo físico Albert Einstein. Historia
As reaccións nucleares
En 1896 Henri Becquerel descubriu que algúns elementos químicos emitían radiacións. Tanto el como Marie Curie e outros estudaron as súas propiedades, descubrindo que estas radiacións eran diferentes dos xa coñecidos Raios X e que posuían propiedades distintas, denominando aos tres tipos que conseguiron descubrir alfa, beta e gamma.
Pronto se viu que todas elas proviñan do núcleo atómico que describira Rutherford en 1911.
Co descubrimento do neutrino, partícula descrita teoricamente en 1930 por Pauli pero non detectada ata 1956 por Clyde Cowan e os seus colaboradores, púidose explicar a radiación beta.
En 1932 James Chadwick descubriu a existencia do neutrón que Wolfgang Pauli predixera en 1930, e inmediatamente despois Enrico Fermi descubriu que certas radiacións emitidas en fenómenos non moi comúns de desintegración eran en realidade estes neutróns.
Durante os anos 1930, Enrico Fermi e os seus colaboradores bombardearon con neutróns máis de 60 elementos, entre eles o 235U, producindo as primeiras fisións nucleares artificiais. En 1938, en Alemaña, Lise Meitner, Otto Hahn e Fritz Strassmann verificaron os experimentos de Fermi e en 1939 demostraron que parte dos produtos que aparecían ao levar a cabo estes experimentos con uranio eran núcleos de bario. Moi pronto chegaron á conclusión de que eran resultado da división dos núcleos do uranio. Levouse a cabo o descubrimento da fisión.
En Francia, Joliot Curie descubriu que ademais do bario, emitíanse neutróns secundarios nesa reacción, facendo factible a reacción en cadea.
Tamén en 1932 Mark Oliphant teorizou sobre a fusión de núcleos lixeiros (de hidróxeno), describindo pouco despois Hans Bethe o funcionamento das estrelas baseándose neste mecanismo.
A fisión nuclear
En física nuclear, a fisión é unha reacción nuclear, o que significa que ten lugar no núcleo atómico. A fisión ocorre cando un núcleo pesado se divide en dous ou máis núcleos pequenos, ademais dalgúns subprodutos como neutróns libres, fotóns (xeralmente raios gamma) e outros fragmentos do núcleo como partículas alfa (núcleos de helio) e beta (electróns e positróns de alta enerxía).
Durante a segunda guerra mundial, o Departamento de Desenvolvemento de Armamento da Alemaña Nazi desenvolveu un proxecto de enerxía nuclear (Proxecto Uranio) con vistas á produción dun artefacto explosivo nuclear. Albert Einstein, en 1939, asinou unha carta ao presidente Franklin Delano Roosevelt dos Estados Unidos, escrita por Leó Szilárd, na que se previña sobre este feito.
O 2 de decembro de 1942, como parte do proxecto Manhattan dirixido por Robert Oppenheimer, construíuse o primeiro reactor do mundo feito polo ser humano (existiu un reactor natural en Oklo, Gabón, na África Occidental): o Chicago Pile-1 (CP-1).
Como parte do mesmo programa militar, construíuse un reactor moito maior en Hanford, destinado á produción de plutonio, e ao mesmo tempo, un proxecto de enriquecemento de uranio en cascada. O 16 de xullo de 1945 foi probada a primeira bomba nuclear (nome en clave Trinity) no deserto de Alamogordo. Nesta proba levouse a cabo unha explosión equivalente a 19. 000. 000 de kg de TNT (19 quilotóns), unha potencia xamais observada anteriormente en ningún outro explosivo. Ambos proxectos desenvolvidos finalizaron coa construción de dúas bombas, unha de uranio enriquecido e unha de plutonio (Little Boy e Fat Man) que foron lanzadas sobre as cidades xaponesas de Hiroshima (6 de agosto de 1945) e Nagasaki (9 de agosto de 1945) respectivamente. O 15 de agosto de 1945 acabou a segunda guerra mundial no Pacífico coa rendición do Xapón. Pola súa banda o programa de armamento nuclear alemán (liderado este por Werner Heisenberg), non alcanzou a súa meta antes da rendición de Alemaña o 8 de maio de 1945.
Posteriormente leváronse a cabo programas nucleares na Unión Soviética (primeira proba dunha bomba de fisión o 29 de agosto de 1949), Francia e Gran Bretaña, comezando a carreira armamentística en ambos os bloques creados trala guerra, alcanzando límites de potencia destrutiva nunca antes sospeitada polo ser humano (cada bando podía derrotar e destruír varias veces a todos os seus inimigos).
Xa na década de 1940, o almirante Hyman Rickover propuxo a construción de reactores de fisión non encamiñados esta vez á fabricación de material para bombas, senón que á xeración de electricidade. Pensouse, acertadamente, que estes reactores poderían constituír un gran substituto do diésel nos submarinos. Construíuse o primeiro reactor de proba en 1953, botando o primeiro submarino nuclear (o USS Nautilus (SSN-571)) o 17 de xaneiro de 1955 ás 11: 00. O Departamento de Defensa estadounidense propuxo o deseño e construción dun reactor nuclear utilizable para a xeración eléctrica e propulsión nos submarinos a dúas empresas distintas norteamericanas: General Electric e Westinghouse. Estas empresas desenvolveron os reactores de auga lixeira tipo BWR e PWR respectivamente.
Estes reactores utilizáronse para a propulsión de buques, tanto de uso militar (submarinos, cruceiros, portaavións. .. ) como civil (quebraxeos e cargueiros), onde presentan potencia, redución do tamaño dos motores, redución no almacenamento de combustible e autonomía, non mellorados por ningunha outra técnica existente.
Os mesmos deseños de reactores de fisión trasladáronse a deseños comerciais para a xeración de electricidade. Os únicos cambios producidos no deseño co transcurso do tempo foron un aumento das medidas de seguridade, unha maior eficiencia termodinámica, un aumento de potencia e o uso das novas tecnoloxías que foron aparecendo.
Entre 1950 e 1960 Canadá desenvolveu un novo tipo, baseado no PWR, que utilizaba auga pesada como moderador e uranio natural como combustible, en lugar do uranio enriquecido utilizado polos deseños de auga lixeira. Outros deseños de reactores para o seu uso comercial utilizaron carbono (Magnox, AGR, RBMK ou PBR entre outros) ou sales fundidos (litio ou berilio entre outros) como moderador. Este último tipo de reactor foi parte do deseño do primeiro avión bombardeiro (1954) con propulsión nuclear (o US Aircraft Reactor Experiment ou ARE). Este deseño abandonouse tralo desenvolvemento dos mísiles balísticos intercontinentais (ICBM).
Outros países (Francia, Italia, entre outros) desenvolveron os seus propios deseños de reactores nucleares para a xeración eléctrica comercial.
En 1946 construíuse o primeiro reactor de neutróns rápidos (Clementine) nos Álamos, con plutonio como combustible e mercurio como refrixerante. En 1951 construíuse o EBR-I, o primeiro reactor rápido co que se conseguiu xerar electricidade. En 1996, o Superfénix ou SPX, foi o reactor rápido de maior potencia construído ata o momento (1200 MWe). Neste tipo de reactores pódense utilizar como combustible os radioisótopos do plutonio, o torio e o uranio que non son fisibles con neutróns térmicos (lentos).
Na década dos 50 Ernest Lawrence propuxo a posibilidade de utilizar reactores nucleares con xeometrías inferiores á criticidade (reactores subcríticos cuxo combustible podería ser o torio), nos que a reacción sería soportada por unha achega externa de neutróns. En 1993 Carlo Rubbia propón utilizar unha instalación de espalación na que un acelerador de protóns producise os neutróns necesarios para manter a instalación. A este tipo de sistemas coñéceselles como Sistemas asistidos por aceleradores (en inglés Accelerator driven systems, ADS as súas siglas en inglés), e prevese que a primeira planta deste tipo (MYRRHA) comece o seu funcionamento entre o 2016 e o 2018 no centro de Mol (Bélxica).
Vantaxes
A enerxía nuclear de fisión ten como principal vantaxe que non utiliza combustibles fósiles, polo que non emite gases de efecto invernadoiro. Isto é importante debido ao protocolo de Kyoto, que obriga a pagar unha taxa por cada tonelada de CO2 emitido. Ademais, xera gran cantidade de enerxía consumindo moi pouco combustible e as reservas de combustible nuclear son suficientes para abastecer a todo o planeta durante máis de 100 anos.
Desventaxes
Ademais de producir unha gran cantidade de enerxía eléctrica, tamén produce residuos nucleares que hai que albergar en depósitos illados e controlados durante longo tempo. As emisións contaminantes indirectas derivadas da construción das centrais nucleares, da fabricación do combustible e da xestión posterior dos residuos radioactivos son moi perigosas e poderían chegar a ter unha gran repercusión no medio ambiente e nos seres vivos se son liberados ou vertidos á atmosfera, chegando ata a producir a morte, e condenar ás xeracións vindeiras con mutacións.
Estes residuos tardan séculos en descompoñerse e polo que o seu almacenamento debe asegurar protección e que non contaminen durante todo este tempo. Un dos procedementos máis utilizados é o seu almacenamento en contedores cerámicos, pero agora estase propoñendo o seu almacenamento en covas profundas, os chamados almacenamentos xeolóxicos profundos (AGP) onde o obxectivo final é que queden enterrados con seguridade durante varios miles de anos aínda que isto non pode garantirse.
Os residuos máis perigosos xerados na fisión nuclear son as barras de combustible, nas que se xeran isótopos que poden permanecer radioactivos ao longo de miles de anos como o curio, o neptunio ou o americio. Tamén se xeran residuos de alta actividade que deben ser vixiados, pero que duran poucos anos e poden ser controlados.
Outra gran preocupación é que rouben estes residuos e os utilicen como combustible para bombas atómicas ou armas nucleares, xa que nos seus inicios a enerxía nuclear utilizouse para fins bélicos. Por iso estas instalacións posúen niveis de seguridade máis elevados que o resto de instalacións industriais.
A fusión nuclear
En física nuclear, a fusión nuclear é o proceso polo cal varios núcleos atómicos de carga similar únense e forman un núcleo máis pesado. Simultaneamente libérase ou absorbe unha cantidade enorme de enerxía, que permite á materia entrar nun estado plasmático.
A fusión de dous núcleos de menor masa que o ferro (neste elemento e no níquel ocorre a maior enerxía de enlace nuclear por nucleón) libera enerxía en xeral. Pola contra, a fusión de núcleos máis pesados que o ferro absorbe enerxía. No proceso inverso, a fisión nuclear, estes fenómenos suceden en sentidos opostos.
Ata o principio do século XX non se entendía a forma en que se xeraba enerxía no interior das estrelas necesaria para contrarrestar o colapso gravitatorio destas. Non existía reacción química coa potencia suficiente e a fisión tampouco era capaz. En 1938 Hans Bethe logrou explicalo mediante reaccións de fusión, co ciclo CNO, para estrelas moi pesadas. Posteriormente descubriuse o ciclo protón-protón para estrelas de menor masa, como o Sol.
Nos anos 1940, como parte do proxecto Manhattan, estudouse a posibilidade do uso da fusión na bomba nuclear. En 1942 investigouse a posibilidade do uso dunha reacción de fisión como método de ignición para a principal reacción de fusión, sabendo que podería resultar nunha potencia miles de veces superior. Con todo, tras finalizar a segunda guerra mundial, o desenvolvemento dunha bomba destas características non foi considerado primordial ata a explosión da primeira bomba atómica rusa en 1949, RDS-1 ou Joe-1. Este evento provocou que en 1950 o presidente estadounidense Harry S. Truman anunciase o comezo dun proxecto que desenvolvese a bomba de hidróxeno. O 1 de novembro de 1952 probouse a primeira bomba nuclear (nome en clave Mike, parte da Operación Ivy ou Hedra), cunha potencia equivalente a 10400000000 de kg de TNT (10, 4 megatóns). O 12 de agosto de 1953 a Unión Soviética realiza a súa primeira proba cun artefacto termonuclear (a súa potencia alcanzou algúns centenares de quilotóns).
As condicións necesarias para alcanzar a ignición dun reactor de fusión controlado, con todo, non foron derivadas ata 1955 por John D. Lawson. Os criterios de Lawson definiron as condicións mínimas necesarias de tempo, densidade e temperatura que debía alcanzar o combustible nuclear (núcleos de hidróxeno) para que a reacción de fusión se mantivese. Con todo, xa en 1946 patentouse o primeiro deseño de reactor termonuclear. En 1951 comezou o programa de fusión dos Estados Unidos, sobre a base do stellarator. No mesmo ano comezou na Unión Soviética o desenvolvemento do primeiro Tokamak, dando lugar aos seus primeiros experimentos en 1956. Este último deseño logrou en 1968 a primeira reacción termonuclear cuasi-estacionaria xamais conseguida, demostrándose que era o deseño máis eficiente conseguido ata a época. ITER, o deseño internacional que ten data de comezo das súas operacións no ano 2016 e que intentará resolver os problemas existentes para conseguir un reactor de fusión de confinamento magnético, utiliza este deseño. En 1962 propúxose outra técnica para alcanzar a fusión baseada no uso de láseres para conseguir unha implosión en pequenas cápsulas cheas de combustible nuclear (de novo núcleos de hidróxeno). Con todo ata a década dos 70 non se desenvolveron láseres suficientemente potentes. Os seus inconvenientes prácticos fixeron desta unha opción secundaria para alcanzar o obxectivo dun reactor de fusión. Con todo, debido aos tratados internacionais que prohibían a realización de ensaios nucleares na atmosfera, esta opción (basicamente microexplosións termonucleares) converteuse nun excelente laboratorio de ensaios para os militares, co que conseguiu financiamento para a súa continuación. Así, construíronse o National Ignition Facility (NIF, con inicio das súas probas programadas para 2010) estadounidense e o Laser Mégajoule francés (LMJ), que perseguen o mesmo obxectivo de conseguir un dispositivo que consiga manter a reacción de fusión a partir deste deseño. Ningún dos proxectos de investigación actualmente en marcha predixen unha ganancia de enerxía significativa, polo que está previsto un proxecto posterior que puidese dar lugar aos primeiros reactores de fusión comerciais (DEMO con confinamento magnético e HiPER con confinamento inercial).
Outros sistemas de enerxía nuclear
Coa invención da pila química por Volta en 1800 deu lugar a unha forma compacta e portátil de xeración de enerxía. A partir de entón foi incesante a procura de sistemas que foran aínda menores e que tivesen unha maior capacidade e duración. Este tipo de pilas, con poucas variacións, foron suficientes para moitas aplicacións diarias ata os nosos tempos. Con todo, no século XX xurdiron novas necesidades, a causa principalmente dos programas espaciais. Precisábanse entón sistemas que tivesen unha duración elevada para consumos eléctricos moderados e un mantemento nulo. Xurdiron varias solucións (como os paneis solares ou as células de combustible), pero segundo se incrementaban as necesidades enerxéticas e aparecían novos problemas (as placas solares son inútiles en ausencia de luz solar), comezouse a estudar a posibilidade de utilizar a enerxía nuclear nestes programas.
A mediados da década dos 50 comezaron en Estados Unidos as primeiras investigacións encamiñadas a estudar as aplicacións nucleares no espazo. Destas xurdiron os primeiros prototipos dos xeradores termoeléctricos de radioisótopos (RTG). Estes dispositivos mostraron ser unha alternativa sumamente interesante tanto nas aplicacións espaciais como en aplicacións terrestres específicas. Nestes artefactos aprovéitanse as desintegracións alfa e beta, convertendo toda ou gran parte da enerxía cinética das partículas emitidas polo núcleo en calor. Esta calor é despois transformada en electricidade aproveitando o efecto Seebeck mediante uns termopares, conseguindo eficiencias aceptables (entre un 5 e un 40 % é o habitual). Os radioisótopos habitualmente utilizados son 210Po, 244Cm, 238Pu, 241Am, entre outros 30 que se consideraron útiles. Estes dispositivos conseguen capacidades de almacenamento de enerxía catro ordes de magnitude superiores (10000 veces maior) ás baterías convencionais.
En 1959 mostrouse ao público o primeiro xerador atómico. En 1961 lanzouse ao espazo o primeiro RTG, a bordo do SNAP 3. Esta batería nuclear, que alimentaba a un satélite da armada norteamericana cunha potencia de 2, 7 W, mantivo o seu funcionamento ininterrompido durante 15 anos.
Estes sistemas utilizáronse e séguense usando en programas espaciais moi coñecidos (Pioneer, Voyager, Galileo, Apolo e Ulises entre outros). Así por exemplo en 1972 e 1973 lanzáronse os Pioneer 10 e 11, converténdose o primeiro deles no primeiro obxecto humano da historia que abandonaba o sistema solar. Ambos satélites continuaron funcionando ata 17 anos logo dos seus lanzamentos.
A misión Ulises (misión conxunta ESA-NASA) enviouse en 1990 para estudar o Sol, sendo a primeira vez que un satélite cruzaba ambos polos solares. Para poder facelo houbo que enviar o satélite nunha órbita ao redor de Xúpiter. Debido á duración do RTG que mantén o seu funcionamento prolongouse a misión de modo que se puidese volver realizar outra viaxe ao redor do Sol. Aínda que parecese estraño que este satélite non usase paneis solares en lugar dun RTG, pode entenderse ao comparar os seus pesos (un panel de 544 kg xeraba a mesma potencia que un RTG de 56). Naqueles anos non existía un foguete que puidese enviar á súa órbita ao satélite con ese peso extra.
Estas baterías non só proporcionan electricidade, senón que nalgúns casos, a propia calor xerada utilízase para evitar a conxelación dos satélites en viaxes nos que a calor do Sol non é suficiente, por exemplo en viaxes fose do sistema solar ou en misións aos polos da Lúa.
En 1966 instalouse o primeiro RTG terrestre para o faro da illa deshabitada Fairway Rock, permanecendo en funcionamento ata 1995, momento no que se desmantelou. Outros moitos faros situados en zonas inaccesibles próximas aos polos (sobre todo na Unión Soviética), utilizaron estes sistemas. Sábese que a Unión Soviética fabricou máis de 1000 unidades para estes usos.
Unha aplicación que se deu a estes sistemas foi o seu uso como marcapasos. Ata os anos 70 usábase para estas aplicacións baterías de mercurio-cinc, que tiñan unha duración duns 3 anos. Nesta década introducíronse as baterías nucleares para aumentar a lonxevidade destes artefactos, posibilitando que un paciente novo tivese implantado só un destes artefactos para toda a súa vida. Nos anos 1960, a empresa Medtronic contactou con Alcatel para deseñar unha batería nuclear, implantando o primeiro marcapasos alimentado cun RTG nun paciente en 1970 en París. Varios fabricantes construíron os seus propios deseños, pero a mediados desta década foron desprazados polas novas baterías de litio, que posuían vidas duns 10 anos (considerado suficiente polos médicos aínda que debese substituírse varias veces ata a morte do paciente). A mediados dos anos 1980 detívose o uso destes implantes, aínda que aínda existen persoas que seguen portando este tipo de dispositivos. Fundamentos físicos
Sir James Chadwick descubriu o neutrón en 1932, ano que pode considerarse como o inicio da física nuclear moderna.
O modelo de átomo proposto por Niels Bohr consiste nun núcleo central composto por partículas que concentran a maioría da masa do átomo (neutróns e protóns), rodeado por varias capas de partículas cargadas case sen masa (electróns). Mentres que o tamaño do átomo resulta ser da orde do ángstrom (10−10 m), o núcleo pode medirse en fermis (10−15 m), ou sexa, o núcleo é 100. 000 veces menor que o átomo.
Todos os átomos neutros (sen carga eléctrica) posúen o mesmo número de electróns que de protóns. Un elemento químico pódese identificar de forma inequívoca polo número de protóns que posúe o seu núcleo; este número chámase número atómico (Z). O número de neutróns (N) con todo pode variar para un mesmo elemento. Para valores baixos de Z ese número tende a ser moi parecido ao de protóns, pero ao aumentar Z necesítanse máis neutróns para manter a estabilidade do núcleo. Aos átomos aos que só lles distingue o número de neutróns no seu núcleo (en definitiva, a súa masa), chámaselles isótopos dun mesmo elemento. A masa atómica dun isótopo vén dada por A
Z + N {\displaystyle A
Z+N} u, o número de protóns máis o de neutróns (nucleóns) que posúe no seu núcleo.
Para denominar un isótopo adoita utilizarse a letra que indica o elemento químico, cun superíndice que é a masa atómica e un subíndice que é o número atómico (p. ex. o isótopo 238 do uranio escribiríase como 92238 U {\displaystyle _{92}^{238}\! U} ).
O núcleo
Os neutróns e protóns que forman os núcleos teñen unha masa aproximada de 1 u, estando o protón cargado electricamente con carga positiva +1, mentres que o neutrón non posúe carga eléctrica. Tendo en conta unicamente a existencia das forzas electromagnética e gravitatoria, o núcleo sería inestable (xa que as partículas de igual carga repeleríanse desfacendo o núcleo), facendo imposible a existencia da materia. Por este motivo (xa que é obvio que a materia existe) foi necesario engadir aos modelos unha terceira forza: a forza forte (hoxe en día forza nuclear forte residual). Esta forza debía ter como características, entre outras, que era moi intensa, atractiva a distancias moi curtas (só no interior dos núcleos), sendo repulsiva a distancias máis curtas (do tamaño dun nucleón), que era central en certo rango de distancias, que dependía do spin e que non dependía do tipo de nucleón (neutróns ou protóns) sobre o que actuaba. En 1935, Hideki Yukawa deu unha primeira solución a esta nova forza establecendo a hipótese da existencia dunha nova partícula: o mesón. O máis lixeiro dos mesóns, o pion, é o responsable da maior parte do potencial entre nucleóns de longo alcance (1 rfm). O potencial de Yukawa (potencial OPEP) que describe adecuadamente a interacción para dúas partículas de spins s 1 {\displaystyle s_{1}} e s 2 {\displaystyle s_{2}} respectivamente, pódese escribir como: V ( r )
g π 2 ( m π c 2 ) 33 ( M c 2 ) 2 ℏ 2 [ s 1 s 2 + S 121 + 3 R r + 3 R 2 r 2 ] e − r R r R {\displaystyle V(r)
{\frac {g_{\pi }^{2}(m_{\pi }c^{2})^{3}}{3(Mc^{2})^{2}{\hbar }^{2}}}\left[s_{1}s_{2}+S_{12}1+{\frac {3R}{r}}+{\frac {3R^{2}}{r^{2}}}\right]{\frac {e^{-{\frac {r}{R}}}}{\frac {r}{R}}}} Outros experimentos que se realizaron sobre os núcleos indicaron que a súa forma debía de ser aproximadamente esférica de radio R
1, 5 ⋅ A 1 / 3 {\displaystyle R
1, 5\cdot A^{1/3}} fm, sendo A a masa atómica, é dicir, a suma de neutróns e protóns. Isto esixe ademais que a densidade dos núcleos sexa a mesma ( V α R 3 α A {\displaystyle V\alpha R^{3}\alpha A}, é dicir o volume é proporcional a A. Como a densidade áchase dividindo a masa polo volume ρ
A V
c t e {\displaystyle \rho
{\frac {A}{V}}
cte} ). Esta característica levou á equiparación dos núcleos cun líquido, e por tanto ao modelo da gota líquida, fundamental na comprensión da fisión dos núcleos.
A masa dun núcleo, con todo, non resulta exactamente da suma dos seus nucleóns. Tal e como demostrou Albert Einstein, a enerxía que mantén unidos a eses nucleóns é a diferenza entre a masa do núcleo e a dos seus elementos, e vén dada pola ecuación E
m ⋅ c 2 {\displaystyle E
m\cdot c^{2}}. Así, pesando os distintos átomos por unha banda, e os seus compoñentes por outra, pode determinarse a enerxía media por nucleón que mantén unidos aos diferentes núcleos.
Fisión
Enrico Fermi, tras o descubrimento do neutrón, realizou unha serie de experimentos nos que bombardeaba distintos núcleos con estas novas partículas. Nestes experimentos observou que cando utilizaba neutróns de enerxías baixas, en ocasións o neutrón era absorbido emitíndose fotóns.
Para pescudar o comportamento desta reacción repetiu o experimento sistematicamente en todos os elementos da táboa periódica. Así descubriu novos elementos radioactivos, pero ao chegar ao uranio obtivo resultados distintos. Lise Meitner, Otto Hahn e Fritz Strassmann conseguiron explicar o novo fenómeno ao supoñer que o núcleo de uranio ao capturar o neutrón escindíase en dúas partes de masas aproximadamente iguais. De feito detectaron bario, de masa aproximadamente a metade que a do uranio. Posteriormente pescudouse que esa escisión (ou fisión) non se daba en todos os isótopos do uranio, senón só no 235U. E máis tarde aínda, sóubose que esa escisión podía dar lugar a moitísimos elementos distintos, cuxa distribución de aparición é moi típica (similar á dobre chepa dun camelo).
Na fisión dun núcleo de uranio, non só aparecen dous núcleos máis lixeiros resultado da división do de uranio, senón que ademais emítense 2 ou 3 (de media 2, 5 no caso do 235U) neutróns a unha alta velocidade (enerxía). Como o uranio é un núcleo pesado non se cumpre a relación N Z (igual número de protóns que de neutróns) que si se cumpre para os elementos máis lixeiros, polo que os produtos da fisión posúen un exceso de neutróns. Este exceso de neutróns fai inestables (radioactivos) a eses produtos de fisión, que alcanzan a estabilidade ao desintegrarse os neutróns excedentes por desintegración beta xeralmente. A fisión do 235U pode producirse en máis de 40 formas diferentes, orixinándose por tanto máis de 80 produtos de fisión distintos, que á súa vez se desintegran formando cadeas de desintegración, polo que finalmente aparecen preto de 200 elementos a partir da fisión do uranio.
A enerxía desprendida na fisión de cada núcleo do 235U é en media de 200 MeV. Os minerais explotados para a extracción do uranio adoitan posuír contidos de ao redor de 1 gramo de uranio por kg de mineral (a pechblenda por exemplo). Como o contido do 235U no uranio natural é dun 0, 7 %, obtense que por cada kg de mineral extraído teriamos 1, 8 ⋅ 1019 {\displaystyle 1, 8\cdot 10^{19}} átomos de 235U. Se fisionamos todos eses átomos (1 gramo de uranio) obteriamos teoricamente unha enerxía liberada de 3, 6 ⋅ 1027 e V
5, 8 ⋅ 108 J {\displaystyle 3, 6\cdot 10^{27}eV
5, 8\cdot 10^{8}J} por gramo. En comparación, pola combustión de 1 kg de carbón da mellor calidade (antracita) obtense unha enerxía duns 4 ⋅ 107 J {\displaystyle 4\cdot 10^{7}J}, é dicir, necesítanse máis de 10 toneladas de antracita (o tipo de carbón con maior poder calorífico) para obter a mesma enerxía contida en 1 kg de uranio natural.
A aparición dos 2, 5 neutróns por cada fisión posibilita a idea de levar a cabo unha reacción en cadea, e lograse facer que deses 2, 5 polo menos un neutrón consiga fisionar un novo núcleo de uranio. A idea da reacción en cadea é común noutros procesos químicos. Os neutróns emitidos pola fisión non son útiles inmediatamente se o que se quere é controlar a reacción, senón que hai que frealos (moderalos) ata unha velocidade adecuada. Isto conséguese rodeando os átomos por outro elemento cun Z pequeno, por exemplo hidróxeno, carbono ou litio, material denominado moderador.
Outros átomos que poden fisionar con neutróns lentos son o 233U ou o 239Pu. Con todo tamén é posible a fisión con neutróns rápidos (de enerxías altas), por exemplo o 238U (140 veces máis abundante que o 235U) ou o 232Th (400 veces máis abundante que o 235U).
A teoría elemental da fisión proporcionárona Bohr e Wheeler, utilizando un modelo segundo o cal os núcleos dos átomos compórtanse como pingas líquidas.
A fisión pódese conseguir tamén mediante partículas alfa, protóns ou deuteróns.
Fusión
Así como a fisión é un fenómeno que aparece na cortiza terrestre de forma natural (aínda que cunha frecuencia pequena), a fusión é absolutamente artificial na nosa contorna (aínda que é común no núcleo das estrelas). Con todo, esta enerxía posúe vantaxes con respecto á fisión. Por unha banda o combustible é abundante e fácil de conseguir, e por outra banda, os seus produtos son elementos estables, lixeiros e non radioactivos.
Na fusión, ao contrario que na fisión onde se dividen os núcleos, a reacción consiste na unión de dous ou máis núcleos lixeiros. Esta unión dá lugar a un núcleo máis pesado que os usados inicialmente e a neutróns. A fusión conseguiuse antes mesmo de comprender completamente as condicións que se necesitaban no desenvolvemento de armas, limitándose a conseguir condicións extremas de presión e temperatura usando unha bomba de fisión como elemento iniciador (Proceso Teller-Ulam). Pero non é ata que Lawson define uns criterios de tempo, densidade e temperatura mínimos cando se comeza a comprender o funcionamento da fusión.
Aínda que nas estrelas a fusión dáse entre unha variedade de elementos químicos, o elemento co que é máis sinxelo alcanzala é o hidróxeno. O hidróxeno posúe tres isótopos: o hidróxeno común ( 11 H {\displaystyle {}_{1}^{1}\! H} ), o deuterio ( 12 H {\displaystyle {}_{1}^{2}\! H} ) e o tricio ( 13 H {\displaystyle {}_{1}^{3}\! H} ). Isto é así porque a fusión require que se venza a repulsión electrostática que experimentan os núcleos ao unirse, polo que a menor carga eléctrica, menor será esta. Ademais, a maior cantidade de neutróns, máis pesado será o núcleo resultante (máis arriba estaremos na gráfica das enerxías de ligadura), co que maior será a enerxía liberada na reacción.
Unha reacción particularmente interesante é a fusión de deuterio e tricio: 12 H + 13 H → 24 H e i + n + 17, 6 M e V {\displaystyle {}_{1}^{2}\! H+{}_{1}^{3}\! H\rightarrow {}_{2}^{4}\! Hei+n+17, 6MeV} Nesta reacción libéranse 17, 6 MeV por fusión, máis que no resto de combinacións con isótopos de hidróxeno. Ademais esta reacción proporciona un neutrón moi enerxético que pode aproveitarse para xerar combustible adicional para reaccións posteriores de fusión, utilizando litio, por exemplo. A enerxía liberada por gramo con esta reacción é case 1. 000 veces maior que a lograda na fisión de 1 gramo de uranio natural (unhas 7 veces superior se fose un gramo de 235U puro).
Para vencer a repulsión electrostática, é necesario que os núcleos a fusionar alcancen unha enerxía cinética de aproximadamente 10 keV. Esta enerxía obtense mediante un intenso quecemento (igual que nas estrelas, onde se alcanzan temperaturas de 108 K), que implica un movemento dos átomos igual de intenso. Ademais desa velocidade para vencer a repulsión electrostática, a probabilidade de que se produza a fusión debe ser elevada para que a reacción suceda. Isto implica que se deben posuír suficientes átomos con enerxía suficiente durante un tempo mínimo. O criterio de Lawson define que o produto entre a densidade de núcleos con esa enerxía polo tempo durante o que deben permanecer nese estado debe ser n ⋅ τ
1014 s ⋅ n u c l e o s ⋅ c m − 3 {\displaystyle n\cdot \tau
10^{14}s\cdot nucleos\cdot cm^{-3}}.
Os dous métodos en desenvolvemento para aproveitar de forma útil (non bélica) a enerxía desprendida nesta reacción son o confinamento magnético e o confinamento inercial (con fotóns que proveñen de láser ou partículas que proveñen de aceleradores).
Desintegración alfa
Esta reacción é unha forma de fisión espontánea, na que un núcleo pesado emite unha partícula alfa (α) cunha enerxía típica duns 5 MeV. Unha partícula α é un núcleo de helio, constituído por dous protóns e dous neutróns. Na súa emisión o núcleo cambia, polo que o elemento químico que sofre este tipo de desintegración muta noutro distinto. Unha reacción natural típica é a seguinte: 29238 U → 29034 Th + α {\displaystyle {}^{2}{}_{92}^{38}{\hbox{U}}\; \to \; {}^{2}{}_{90}^{34}{\hbox{Th}}\; +\; \alpha } Na que un átomo de 238U transfórmase noutro de 234Th.
Foi en 1928 cando George Gamow deu unha explicación teórica á emisión destas partículas. Para iso supuxo que a partícula alfa convivía no interior do núcleo co resto dos nucleóns, dunha forma case independente. Por efecto túnel nalgunhas ocasións esas partículas superan o pozo de potencial que crea o núcleo, separándose del a unha velocidade dun 5 % da velocidade da luz.
Desintegración beta
Existen dous modos de desintegración beta. No tipo β− a forza débil converte un neutrón (n0) nun protón (p+) e ao mesmo tempo emite un electrón (e−) e un antineutrino ( ν ¯ e {\displaystyle {\bar {\nu }}_{e}} ): n 0 → p + + e − + ν ¯ e {\displaystyle n^{0}\rightarrow p^{+}+e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}}.
No tipo β+ un protón transfórmase nun neutrón emitindo un positrón (e+) e un neutrino ( ν e {\displaystyle \nu _{e}} ): p + → n 0 + e + + ν e {\displaystyle p^{+}\rightarrow n^{0}+e^{+}+\nu _{e}}.
Con todo, este último modo non se presenta de forma illada, senón que necesita unha achega de enerxía.
A desintegración beta fai cambiar ao elemento químico que a sofre. Por exemplo, na desintegración β− o elemento transfórmase noutro cun protón (e un electrón) máis. Así na desintegración do 137Cs por β−; 137 C s → 137 B a + + e − + ν ¯ e {\displaystyle ^{137}Cs\rightarrow ^{137}Ba^{+}+e^{-}+{\bar {\nu }}_{e}} En 1934, Enrico Fermi conseguiu crear un modelo desta desintegración que respondía correctamente á súa fenomenoloxía. Tecnoloxía nuclear
Armas nucleares
Unha arma é todo instrumento, medio ou máquina que se destina a atacar ou a defenderse. Segundo tal definición, existen dúas categorías de armas nucleares: Aquelas que utilizan a enerxía nuclear de forma directa para o ataque ou a defensa, é dicir, os explosivos que usan a fisión ou a fusión.
Aquelas que utilizan a enerxía nuclear para a súa propulsión, podendo á súa vez utilizar ou non munición que utilice a enerxía nuclear para a súa detonación. Nesta categoría pódense citar os buques de guerra de propulsión nuclear (cruceiros, portaavións, submarinos, bombardeiros, etc. ).
Bomba atómica
Existen dúas formas básicas de utilizar a enerxía nuclear desprendida por reaccións en cadea descontroladas de forma explosiva: a fisión e a fusión.
Bomba de fisión
O 16 de xullo de 1945 produciuse a primeira explosión dunha bomba de fisión (Proba Trinity) creada polo ser humano.
Existen dous tipos básicos de bombas de fisión: utilizando uranio altamente enriquecido (enriquecemento superior ao 90 % no 235U) ou utilizando plutonio. Ambos os tipos fundaméntanse nunha reacción de fisión en cadea descontrolada e só empregáronse nun ataque real en Hiroshima e Nagasaki, ao final da segunda guerra mundial.
Para que este tipo de bombas funcionen é necesario utilizar unha cantidade do elemento utilizado superior á masa crítica. Supoñendo unha riqueza no elemento do 100 %, iso supoñen 52 kg de 235U ou 10 kg de 239 Pu. Para o seu funcionamento créanse dúas ou máis partes subcríticas que se unen mediante un explosivo químico convencional de forma que se supere a masa crítica.
Os dous problemas básicos que se deberon resolver para crear este tipo de bombas foron: Xerar suficiente cantidade do elemento físil a utilizar, xa sexa uranio enriquecido ou plutonio puro.
Alcanzar un deseño no que o material utilizado na bomba non sexa destruído pola primeira explosión antes de alcanzar a criticidade.
O rango de potencia destas bombas sitúase entre aproximadamente o equivalente a unha tonelada de TNT ata os 500. 000 quilotóns.
Bomba de fusión
Tras o primeiro ensaio exitoso dunha bomba de fisión pola Unión Soviética en 1949 desenvolveuse unha segunda xeración de bombas nucleares que utilizaban a fusión. Chamoulla bomba termonuclear, bomba H ou bomba de hidróxeno. Este tipo de bomba non se utilizou nunca contra ningún obxectivo real. O chamado deseño Teller- Ullam (ou segredo da bomba H) separa ambas as explosións en dúas fases.
Este tipo de bombas poden ser miles de veces máis potentes que as de fisión. En teoría non existe un límite á potencia destas bombas, sendo a de maior potencia explotada a bomba do Tsar, dunha potencia superior aos 50 megatóns.
As bombas de hidróxeno utilizan unha bomba primaria de fisión que xera as condicións de presión e temperatura necesarias para comezar a reacción de fusión de núcleos de hidróxeno. Os únicos produtos radioactivos que xeran estas bombas son os producidos na explosión primaria de fisión, polo que ás veces chamaselle bomba nuclear limpa. O extremo desta característica son as chamadas bombas de neutróns ou bomba N, que minimizan a bomba de fisión primaria, logrando un mínimo de produtos de fisión. Estas bombas ademais deseñáronse de tal modo que a maior cantidade de enerxía liberada sexa en forma de neutróns, co que a súa potencia explosiva é a décima parte que unha bomba de fisión. Foron concibidas como armas antitanque, xa que ao penetrar os neutróns no interior dos mesmos, matan os seus ocupantes polas radiacións.
Buques militares de propulsión nuclear
Durante a segunda guerra mundial comprobouse que o submarino podía ser unha arma decisiva, pero posuía un grave problema: a súa necesidade de emerxer tras curtos períodos para obter aire para a combustión do diésel en que se baseaban os seus motores (a invención do snorkel mellorou algo o problema, pero non o solucionou). O Almirante Hyman G. Rickover foi o primeiro que pensou que a enerxía nuclear podería axudar con este problema. Os desenvolvementos dos reactores nucleares permitiron un novo tipo de motor con vantaxes fundamentais: Non precisa aire para o funcionamento do motor, xa que non se basea na combustión.
Unha pequena masa de combustible nuclear permite unha autonomía de varios meses (anos mesmo) sen encher. Por exemplo, os submarinos dos Estados Unidos non necesitan encher durante toda a súa vida útil.
Un pulo que ningún outro motor pode equiparar, co que puideron construírse submarinos moito máis grandes que os existentes ata o momento. O maior submarino construído ata a data son os da clase Akula rusos (desprazamento de 48 mil toneladas, 175 m de lonxitude).