CENTRALES NUCLEARES
(1ª Parte)

1. El Átomo
2. Partículas Elementales
3. Isótopos
4. Radiactividad
5. Clases de Radiaciones
6. Período de Semidesintegración
7. Reacciones Nucleares
8. Reacciones de Fisión en Cadena
9. La Fusión Nuclear

El átomo

La teoría atómica-molecular fue establecida a principios del siglo XIX; Dalton, Avogadro y Proust fueron sus principales artífices. Según ella, la materia es discontínua, de tal modo que la menor parte que se puede obtener de un cuerpo es una molécula. Las moléculas, a su vez, pueden dividirse en unas entidades menores denominadas átomos; las moléculas de los cuerpos simples (elementos químicos) están formadas por átomos iguales entre sí, mientras que las moléculas de los cuerpos compuestos están formadas por átomos de dos o más clases. También afirmaba esta teoría que los átomos eran indivisibles, a lo que alude su nombre ("átomos" significa "no divisible" en griego), y que todos los átomos de un mismo elemento eran iguales. Por lo tanto, podemos definir un átomo como "la parte más pequeña y eléctricamente neutra de que está compuesto un elemento químico y que puede intervenir en las reacciones químicas sin perder su integridad". Hoy se conocen 107 elementos químicos distintos algunos de los cuales no existen en la naturaleza y se han obtenido artificialmente.

Una serie de descubrimientos que tuvieron lugar en el último tercio del pasado siglo y primer tercio del presente obligaron a revisar esta teoría atómica:

• La ley periódica de Mendeleiev
• Las teorías sobre la ionización
• La radiactividad

Dieron lugar a que, primero, Rutherford y, luego, Bohr y Heisenberg establecieran el modelo atómico hoy vigente. Según este modelo el átomo no es indivisible sino que está formado por entidades más pequeñas, llamadas "partículas elementales" En el átomo se pueden considerar dos partes:

• Una central o núcleo atómico formada por protones y neutrones.
• Una parte externa o corteza, formada por electrones (hay tantos electrones en la corteza como protones en el núcleo, por lo cual el átomo es eléctricamente neutro), los cuales giran alrededor del núcleo a semejanza de los planetas que giran alrededor del Sol.

El radio del átomo es de unos 10^-8 cm, y el del núcleo es de 10^{-13 cm}, lo que nos indica que la materia está casi totalmente vacía.

Las tres partículas elementales que entran a formar parte del átomo son: el electrón, el protón y el neutrón.

• Electrón
  El electrón posee una masa de 9'11·10^-31 kg (aproximadamente 1/1800 de la masa del protón) y una carga negativa de 1'602·10^-19 C (este valor se toma como unidad en física nuclear).
• Protón
  El protón tiene una masa de 1'637·10^-27 kg y una carga positiva igual en valor absoluto a la carga del electrón.
• Neutrón
  El neutrón tiene una masa ligeramente inferior a la del protón y carece de carga eléctrica.

  Hoy se sabe que el protón y el neutrón no son esencialmente distintos, sino que son dos estados de una misma partícula denominada nucleón, de tal modo que un neutrón puede desintegrarse en un protón más un electrón, sin que ellos signifique que el electrón existiese anteriormente, sino que se forma en el momento de la desintegración. Análogamente, un protón puede transformarse en un neutrón para lo que ha de emitir un electrón positivo (positrón).

  Otra partícula de gran importancia en física nuclear es el neutrino, que, aunque carece de masa y carga, posee energía y cantidad de movimiento. La existencia del neutrino se dedujo a partir de consideraciones teóricas que hacían necesaria la existencia de esta partícula si determinados procesos subatómicos habían de cumplir las leyes de la física.

  El estudio de la radiación cósmica, así como los experimentos que se llevan a cabo en los aceleradores de partículas, han permitido comprobar la existencia de un número mucho mayor de partículas elementales, todas ellas de vida efímera, es decir, que se desintegran en otras; estas partículas han recibido los nombre de muones, tauones, mesones, hiperones. El número de partículas elementales descubiertas hasta la fecha rebasa el centenar.

  También se sabe que además de cada partícula existe la antipartícula correspondiente, la cual posee la misma masa que ella e igual carga pero de signo contrario. Así el antiprotón es una partícula con la misma masa que el protón pero cuya carga es una unidad negativa; el antielectrón (positrón) es igual que un electrón con carga positiva.
  Las antipartículas tienen una vida muy corta, ya que cuando se encuentran con su partícula se aniquilan liberando energía.

Una especie atómica viene definida por dos números enteros:

• Número atómico, Z:
  Nos indica el número de protones que hay en el núcleo. Define el elemento químico al que pertenece el átomo; es decir, independientemente del número de neutrones que posean, todos los átomos que tienen un protón son átomos de hidrógeno, todos los que tienen ocho protones son átomos de oxígeno, etc.
• Número másico, A:
  Nos da el número de protones más neutrones que hay en el núcelo, o sea, el número de nucleones.
  Al ser la unidad de masa atómica (u) muy próxima al valor de la masa del protón, el número másico es el número entero más próximo a la masa (expresada en "u") del átomo en cuestión; es decir, todos los átomos con A=2 tienen una masa atómica de aproximadamente, 2 unidades de masa atómica; los que tienen A=235, tienen una masa de unas 235 unidades de masa atómica.

Por ejemplo, el hidrógeno tiene tres isótopos:

• El isótopo con A=1, denominado protio, que carece de neutrones.
• El isótopo con A=2, llamado deuterio (que posee un neutrón).
• El isótopo con A=3, denominado tritio, que posee dos neutrones.

Simbólicamente cada núcleo de un determinado elemento se representa por:

La radiactividad fue descubierta por el científico francés Antoine Henri Becquerel en 1896. El descubrimiento tuvo lugar de una forma casi ocasional: Becquerel realizaba investigaciones sobre la fluorescencia del sulfato doble de uranio y potasio y descubrió que el uranio emitía espontáneamente una radiación misteriosa. Esta propiedad del uranio (después se vería que hay otros elementos que la poseen) de emitir radiaciones, sin ser excitado previamente, recibió el nombre de radiactividad.

El descubrimiento dio lugar a un gran número de investigaciones sobre el tema. Quizás las más importantes en lo referente a la caracterización de otras sustancias radiactivas fueron realizadas por el matrimonio, también francés, Pierre y Marie Curie, quienes descubrieron el polonio y el radio, ambos en 1898.

La anturaleza de la radiación emitida y el fenómeno de la radiactividad fueron estudiados en inglaterra por Ernest Rutherford, principalmente, y por Frederick Soddy. Como resultado pronto se supo que la radiación emitida podía ser de tres clases distintas, a las que se llamó alfa, beta y gamma, y que al fianl del proceso el átomo radiactivo original se había transformado en un átomo de naturaleza distinta, es decir, había tenido lugar una transmutación de una especie atómica en otra distinta.

Hoy sabemos que la radiactividad es una reacción nuclear de "descomposición espontánea", es decir, un núcleo inestable se descompone en otro más estable que él, a la vez que emite una "radiación".
El núcleo hijo (el que resulta de la desintegración) puede no ser estable, y entonces se desintegra en un tercero, el cual puede continuar el proceso, hasta que finalmente se llega a un núcleo estable. Se dice que los sucesivos núcleo de un conjunto de desintegraciones forman una serie radiactiva o familia radiactiva.

Clases de radiaciones

Al estudiar el fenómeno de la radiactividad, Rutherford descubrió que la radiación emitida por una desintegración radiactiva podía ser de tres clases:alfa, beta y gamma; además también hay que considerar la emisión de neutrones.

La radiación alfa (a): Está formada por núcleos del isótopo 4 del helio, es decir, está constituida por una radiación corpuscular, en la que cada corpúsculo está formado por dos protones y dos neutrones. Ello significa que tiene una masa atómica de 4 u. y una carga eléctrica de 2 unidades positivas. Estos protones y neutrones formaban antes parte del núcleo que se ha desintegrado.

La radiación beta (b): Está constituida por electrones, lo que significa que es también de naturaleza corpuscular, en la que cada corpúsculo tiene una masa atómica 1/1800, aproximadamente, y una carga de 1 unidad negativa. A diferencia del caso anterior, el electrón emergente no existía anteriormente en el núcleo sino que procede de la transformación de un neutrón en un protón, que queda dentro del núcleo, y el electrón que es eyectado. Posteriormente, se descubrió la radiación beta positiva, semejante a la beta pero con carga positiva. Está formada por positrones procedentes de la transformación de un protón en un neutrón. La radiación gamma (c): Es de naturaleza electromagnética, semejante a la luz ordinaria o a la radiación X, pero con mucho menor longitud de onda. Es, por lo tanto, de naturaleza ondulatoria, carente de masa en reposo y de carga. Esta radiación tampoco existía antes en el núcleo, sino que es energía que se emite como consecuencia de un reajuste enrgético del núcleo. Neutrones: En la fisión espontánea, así como en la fisión inducida y en otras reacciones nucleares, se produce una radiación de neutrones, formada por estas partículas, con masa, por lo tanto, de 1 u. y sin carga.

Las leyes que rigen los distintos tipos de desintegración fueron descubiertas por Soddy y Fajans. Estas leyes son:

• En la desintegración alfa:
  Puesto que se emiten dos protones y dos neutrones, el núcleo hijo tiene dos protones menos que el padre, lo que significa que ha retrocedido dos puestos en el sistema periódico y su masa ha disminuido en cuatro unidades.
• En la desintegración beta negativa:
  Como un neutrón se transforma en un protón, el núcleo hijo tiene un protón más que el padre, lo que representa que avanza un puesto en el sistema periódico, y no varía su masa atómica.
• En la desintegración beta positiva:
  Ocurre exactamente lo contrario que en la desintegración beta negativa: el núcleo hijo tiene un protón menos que el padre y la misma masa atómica.
• La emisión gamma:
  No constituye una desintegración propia sino que se produce acompañando a las radiaciones alfa y beta, o en la desexitación de núcleos que se encontraban en un nivel energético superior al normal de ese núcleo (núcleos excitados).
• En la emisión de un neutrón:
  El núcleo hijo es un isótopo del padre con una masa menor en una unidad.

Periodo de semidesintegración,T

La desintegración de un cuerpo radiactivo es un proceso estadístico; ello quiere decir que si consideramos un determinado átomo radiactivo no podemos conocr en qué momento tendrá lugar su desintegración, pero si tomamos un número muy grande de átomos de un mismo núvleo, podemos conocer la ley que, como promedio, sigue el conjunto en su desintegración.

Se demuestra que la probabilidad de que se desintegre un átomo radiactivo permanece constante a lo largo del tiempo. Ello se traduce en que al desintegrarse una sustancia radiactiva la cantidad de ella que no se ha desintegrado disminuye exponencialmente con el tiempo. Se llama periodo de semidesintegración, T, al tiempo que ha de transcurrir para que la cantidad de sustancia radiactiva se haya reducido a la mitad. El valor de T puede variar entre fracciones muy pequeñas de segundos (isótopos de vida corta) a millones de años (isótopos de vida larga).

Reacciones nucleares

Por analogía con las reacciones químicas, se llaman reacciones nucleares las interacciones entre núcleos atómicos o entre núcleos atómicos y partículas elementales; por extensión, se incluyen también las interacciones entre partículas elementales.

La primera reacción nuclear llevada a cabo en el laboratorio, la realizó Rutherford, en 1919, bombardeando el isótopo 14 del nitrógeno con partículas alfa. En la reacción se produce el isótopo 17 del oxígeno y un protón. Simbólicamente se representa por la ecuación:

Al igual que en química se considera que la descomposición espontánea de una molécula inestable es la reacción química más simple (reacción monomolecular), la radiactividad es el tipo más simple de reacción nuclear, y es la que se descubrió primero.

En los demás tipos de reacciones nucleares hay, en general, dos núcleos o partículas que reaccionan, para dar lugar a productos de reacción. A semejanza de lo que ocurre en una reacción química, para producir una reacción nuclear normalmente es necesario comunicar al sistema inicial una energía de activación. En la reacción se libera energía, que se manifiesta en forma de energía cinética de los productos de la reacción, acompañada en ocasiones por la producción de radiación gamma.

Una reacción nuclear puede representarse esquemáticamente en la forma:

Donde X e Y son los núcleos inicial y final, a es la partícula empleada como proyectil y b la partícula emergente.
Para que ocurra la reacción es necesario que la partícula a tenga una energía suficiente para producirla. En las primeras reacciones nucleares realizadas en el laboratorio se emplearon como proyectiles partículas procedentes de una desintegración radiactiva. Más adelante se construyeron los llamados aceleradores de partículas, donde la energía necesaria se obtiene mediante la acción de campos eléctricos o magnéticos.

Un criterio ampliamente usado para clasificar las reacciones nucleares consiste en definirlas sobre la base de las dos partículas incidente y emergente, a y b. Así se habla de reacciones (n, p) en las que la partícula incidente es un neutrón y la emergente un protón, etc.

Cuando no existían aún los aceleradores, se utilizaba como proyectil la radiación alfa de una desintegración radiactiva; los trabajos de Rutherford en los primeros decenios del siglo XX se centraron en este tipo de reacciones. La construcción de aceleradores de partículas permitió el empleo de otros proyectiles cargados, principalmente protones. En 1934 el físico italiano Enrico Fermi concibió la idea de emplear el neutrón como proyectil y el grupo de investigadores dirigido por él estudió sistemáticamente las reacciones entre neutrones y los diversdos elementos de la tabla periódica. En una de estas reacciones, la que tiene lugar entre el uranio 235 y el neutrón, en los últimos días de 1938 Otto Hahn descubrió la fisión.

Entre los tipos más importantes de reacciones nucleares debemos citar:

• Dispersión:
  En ellas la partícula emergente es de la misma naturaleza que el proyectil. Todo ocurre como si éste hubiese rebotado contra el blanco, aunque nadie podría asegurar que la partícula emergente sea la misma que incidió. Cuando la energía cinética total de los productos originales es igual a la de los productos finales de la reacción se dice que se trata de una dispersión elástica. Si, por el contrario, la energía cinética total de los productos de la reacción es menor que la inicial, diremos que es una dispersión inelástica. En este caso, la diferencia entre ambas energías es absorbida por el blanco, el cual queda excitado.

• Captura:

  En esta reacción la partícula incidente es absorbida por el blanco sin que se produzca ninguna partícula emergente, con la excepción de fotones gamma.

• Fisión:

  En este tipo de reacción, un núcleo pesado se rompe en, generalmente, dos fragmentos cuyos tamaños son del mismo orden de magnitud, lo que va acompañado de una emisión de neutrones y radiación gamma, con la liberación de una gran cantidad de energía. Aunque existen casos de fisión espontánea o de fisión por captura de un fotón, la reacción se produce normalmente por la captura de un neutrón.

• Fusión nuclear:

  Es una reacción entre dos núcleos de átomos ligeros en la que se produce un núcleo de un átomo más pesado, unido a la liberación de partículas elementales y de una gran cantidad de energía. La energía liberada en el Sol y en las estrellas proviene de reacciones de fusión nuclear.

Reacción de fisión en cadena

La fisión nuclear es una reacción que se produce mediante el bombardeo con neutrones de determinados núcleos, denominados nucleos fisionables. En la fisión acontece que al romperse el núcleo blanco se liberan varios neutrones con una energía igual o superior a la de los neutrones incidentes, lo que permite que los neutrones producidos den lugar a nuevas fisiones, y los liberados en ellas a otras nuevas, etc. Con ello se puede conseguir que una vez iniciada la reacción no sea necesario continuar con el bombardeo de neutrones externos, sino que la reacción se mantenga por sí misma. Cuando una vez iniciada una reacción es capaz de mantenrse por sí sola se dice que se trata de una reacción en cadena. Según esta definición, una reacción de fisión nuclear en cadena es un proceso de fisiones nucleares sucesivas en las que todos a partes de los neutrones liberados en cada fisión originan nuevas fisiones, y así sucesivamente.

Para conocer en qué condiciones puede tener lugar la reacción de fisión nuclear en cadena, es preciso estudiar las vicisitudes que siguen los neutrones producidos en la fisión.
Si imaginamos un neutrón que reacciona con un núcleo de uranio 235, dará lugar a su fisión, proceso en el que como promedio se liberan 2'5 neutrones. Una parte de los neutrones producidos dará lugar a nuevas fisiones; otra parte será absorbida por núcleos de otros elementos presentes en el sistema, sin dar lugar a fisiones; una última parte escapará al exterior, sin que tampoco origine nuevas fisiones.
Si el número de neutrones del primer grupo es igual a la unidad se habrá obtenido una reacción autosostenida y con un número constante de fisiones por unidad de tiempo, ya que cada neutrón que produjo inicialmente una fisión dará lugar a otro neutrón útil para continuar el proceso.
Se dice, entonces, que el sistema forma un conjunto crítico.
Si el núemro de neutrones útiles para producir nuevas fisiones fuera mayor que la unidad, el número de fisiones por unidad de tiempo sería creciente y tendríamos un conjunto hipercrítico.
Si, por el contrario, fuera menor que la unidad, la reacción decrecería con el tiempo y acabaría deteniéndose; el conjunto recibe el nombre de subcrítico.

Un conjunto será crítico, hipercrítico o subcrítico dependiendo de la proporción relativa de neutrones en cada uno de los tres grupos, lo que es función de la concentración de átomos de U-235 en el medio, de la concentración y naturaleza de los restantes núcleos presentes, y de la relación entre volumen y superficie del medio donde tiene lugar la reacción.

El hecho de que la fisión pueda dar lugar a una reacción de fisión nuclear en cadena permite que, una vez iniciada ésta, se mantenga por sí misma, lo que significa que puede obtenerse una producción de energía en régimen estacionario. La consecuencia práctica es que la fisión es una reacción nuclear que puede servir como fuente de energía para cubrir necesidades energéticas de la sociedad.
Esto es semejante, en un proceso nuclear, a lo que ocurre con las reacciones químicas de combustión, que también sirven como fuentes de energía porque una vez iniciada la combustión del carbón o del petróleo, la reacción se mantiene por sí misma sin necesidad de ninguna acción exterior.

La fusión nuclear

La fusión nuclear es la unión de dos núcleos ligeros para dar otro núcleo más pesado, todo ello acompañado de una enorme liberación de energía.
Para que la unión suceda, los núcleos ligeros, con carga eléctrica positiva, se deben aproximar a distancias extremadamente cortas. Ahora bien sabemos que dos cargas de igual signo se repelen tanto más cuanto más cerca estén una de otra. Para acercar un núcleo al otro suficientemente deben tenr una enorme velocidad, como sucede cuando están a muy alta temperaturas.
La fusión termonuclear sucede en la naturaleza cuando el medio ambiente es extremadamente caliente, como sucede en las estrellas, por ejemplo nuestro Sol. En el centro del Sol la temperatura es de varias decenas de millones de grados, lo que permite la fusión de núcleos ligeros. En el Sol los núcleos de Hidrógeno se fusionan para dar Helio.
Las reacciones de fusión termonuclear producidas en el centro del Sol liberan mucha energía, lo que explica la alta temperatura de este astro.
Una muy pequeña parte de esta prodigiosa energía irradiada por el Sol nos llega a la Tierra y es el soporte de la vida en ella.
El Sol es un gran reactor nuclear donde la fusión se mantiene permanentemente.

Supongamos que podemos conseguir el choque entre dos átomos de deuterio a gran velocidad. En este caso, los dos núcleos se juntarán por un instante. En circunstancias particulares se puede conseguir que un neutrón salga despedido, mientras que el neutrón restante quede retenido en el nuevo núcleo formado, junto con los dos protones originales. Se ha producido una reacción nuclear; veamos ahora las consecuencias. En primer lugar, el nuevo núcleo formado resulta de la fusión de dos núcleos individuales de deuterio menos el neutrón perdido; por otro lado, como existen dos protones en el núcleo, se conservan los dos electrones orbitales cuyas cargas negativas compensan y equilibran las cargas positivas de los protones nucleares. Es decir que partiendo de dos átomos de deuterio: 2 1 H + 2 1 H ® 2 3 2 He + 1 0 n

Estos se han fusionado en un sólo núcleo de helio. La reacción nuclear asi producida se llama fusión. En la práctica resulta muy difícil provocar una reacción nuclear de este tipo pues para conseguirla es absolutamente necesario que los dos átomos choquen a velocidades enormes; para conseguir estas inmesas velocidades, es preciso aumentar la temperatura de los átomos, y como resulta que este aumento de la temperatura ha de ser de millones de grados, puede comprenderse muy bien que las dificultades técnicas son casi insuperables, cuando se trata de iniciar y controlar una reacción de este tipo. Sin embargo, como las reservas de combustible para provocar esta reacción (el hidrógeno pesado) son prácticamente inagotables (piensese que todo el hidrógeno contenido en el agua de los oceanos, que puede convertirse en deuterio fácilmente) se ha pensado en la fusión para las futuras centrales nucleares. Poe esta razón se están realizando, en varios paises, trabajos de investigación paras lograr un resultado práctico desde el punto de vista comercial.