Energia Nuclear

REACTORES NUCLEARES

U

n reactor es un horno nuclear que calienta grandes cantidades de agua hasta el punto de ebullición. En las centrales nucleo-eléctricas, el vapor liberado alimenta una turbina, y esta, a su vez, a un generador eléctrico de 21.000 volts, del cual parten las líneas de alimentación que se extienden a lo largo de cientos de km. por el país.

El calor producido en el reactor proviene de la fisión de núcleos de uranio-235, que se fragmentan al absorber un neutrón, en dos elementos químicos diferentes, por ejemplo Kriptón (Kr) y Bario (Ba), más tres neutrones. Estos nuevos neutrones fisionan nuevos núcleos de uranio-235 y se establece una reacción en cadena. Si la masa de uranio-235 supera cierto valor crítico, se produce una explosión, como en una bomba atómica. La única manera de controlar la reacción, es intercalar en el combustible un material absorbente de neutrones como el cadmio o el boro, en forma de barras. En los reactores que emplean uranio natural como combustible, como los de nuestro país, es necesaria el agua pesada (D2O), para reducir la velocidad de los neutrones a tal punto que sean absorbidos sólo por el U-235, es decir, el agua pesada actúa como un moderador. El agua común no sirve a tal efecto, pues absorbe demasiados neutrones (¡y se convierte en agua pesada!).

En el agua pesada (D2O) hay deuterio en lugar de hidrógeno (H2O) y los neutrones chocan elásticamente perdiendo velocidad, sin ser absorbidos. El agua pesada cumple también la función de refrigerar eficazmente núcleo del reactor.

La materia es una forma de energía. En un reactor, se verifica la conversión de la masa en energía, ya que en cada fisión de un núcleo de U-235 la masa sumada de los fragmentos es menor que la mas del núcleo de U-235. Esta masa perdida se libera como energía cinética de los fragmentos y como radiación gamma. La ecuación que rige este proceso es la famosa fórmula hallada por A. Einstein:

E = "m . c2 [ erg ]

"m: es la masa en gramos convertida en energía y c es la velocidad de la luz en el vacío (c=3 . 1010 cm/seg). Una unidad de energía muy usada en física nuclear es el MeV (mega-electrónvoltio), que equivale a 1,6 . 10-6 erg. Así, usando la ecuación de Einstein, un protón libera 931,5 MeV cuando se desintegra, o bien, se requieren 931,5 MeV para formarlo. A esta energía de 931,5 MeV que equivale a la masa del protón se llama unidad de masa atómica (u). Las masas nucleares se expresan en "umas" así, el núcleo de U-235 tiene una masa de 235 u.

La cantidad de energía liberada en el proceso de fisión es enorme comparada con la que se puede obtener mediante combustible fósil: un kg. de U-235 entrega la misma energía que 1500 cargas de carbón vegetal.

La principal desventaja de los reactores de fisión es la producción de procesos radiactivos que demoran cientos de años en decaer su actividad, y que pueden contaminar aguas y suelos.

EL NÚCLEO ATÓMICO

E

ntre 1910 y 1920, la experiencia de Ernest Rutherford, al bombardear delgadas láminas de oro y otros elementos con partículas ð provenientes de una fuente radiactiva, probaron que los átomos poseían un núcleo muy pequeño y compacto (de unos 10-15 metros de radio), con carga positiva. Las cargas positivas resultaron ser los protones, que tienen el mismo valor de carga que los electrones pero de signo opuesto, y que habían sido descubierto previamente por Thomson en el tubo de rayos catódicos a principio de siglo.

Como los átomos libres son., en condiciones normales, eléctricamente neutrones, la nube de electrones orbitales debe poseer un número de éstos exactamente igual al número de protones en el núcleo. A este número se lo llama número atómico (Z) y caracteriza las propiedades químicas de determinado elemento.

El neutrón, partícula eléctricamente neutra de masa ligeramente superior al protón, se encuentra en los núcleos atómicos. Como la masa del protón (1,67 .10-27 kg) es 1836 veces mayor que la del electrón, y la masa del neutrón es 1,0016 veces la del protón, el peso total del átomo es prácticamente el peso del núcleo, que se puede expresar tomando como unidad la u (uma, masa del protón), como el número total de protones y neutrones en el núcleo. A este número se lo llama número másico(A) o masa atómica. De acuerdo con lo dicho, tenemos:

A=Z + N (donde N es el número de neutrones en el núcleo)

L

os protones, de carga positiva, se repelen intensamente (fuerza de Coulomb). Pero entre los nucleones actúa la fuerza nuclear fuerte, que es de gran intensidad a corta distancia y aumenta con el número de nucleones. Por eso es imprescindible la presencia de neutrones, que no se repelen eléctricamente e incrementan la fuerza fuerte, para asegurar la estabilidad de un núcleo. Cuanto mayor es el número atómico (Z) de un elemento químico hacen falta cada vez más neutrones. Pero se ha probado experimentalmente, que la fuerza fuerte es de corto alcance y se desvanece más allá de 5 F (“Fermi”: 1 F= 10-15 m). Por lo tanto si aumenta el número de nucleones, crece el radio del núcleo y se debilita la fuerza fuerte. Esto impone un límite al número de elementos químicos estables, y explica por qué no existen en forma natural elementos más pesados que el uranio U238, ya que estos resultarían inestables y se desintegran espontáneamente, es decir, son radiactivos.

RADIACTIVIDAD Y VIDA MEDIA

E

l neutrón libre o poco ligado es inestable: se desintegra después de un tiempo promedio de 12 minutos, emitiendo un electrón ( y otra pequeña partícula) y convirtiéndose en un protón.

Esta es la desintegración beta, controlada por la fuerza nuclear débil. En la naturaleza, todos los elementos químicos de número atómico Z mayor que 83 (bismuto) son radiactivos, y después de un tiempo característico para cada elemento se desintegran, emitiendo ya sea partículas (ð, ð) y radiación muy energética y nociva para los tejidos (γ), o bien dividiéndose en varios fragmentos que corresponden a elementos más livianos, con emisión de energía. También son radiactivos muchos isótopos de elementos livianos y pesados, la mayoría de los cuales son artificiales, es decir, creados mediante bombardeo de núcleos en laboratorios de Física. En toda muestra de

...