sábado, 5 de noviembre de 2011

Física Nuclear: Conceptos Básicos (III)

Reacción de Fisión Nuclear en Cadena

La fisión nuclear es una reacción que se produce mediante el bombardeo con neutrones de determinados nucleidos, denominados nucleidos fisionables. En la fisión acontece que al romperse el núcleo blanco se liberan varios neutrones (dos o tres) 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 mantenerse 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 o parte 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. La reacción de un neutrón con un núcleo de uranio 235 da lugar, la mayor parte de las veces, 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 número 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 nucleidos presentes, y de la relación entre volumen y superficie del medio donde tiene lugar la reacción.



Aplicación Práctica de la Fisión Nuclear

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. El interés principal de la fisión es su alto rendimiento energético. Un gramo de uranio-235 fisionado totalmente produciría una energía de 1 MWd (megavatiodía=24.000 kilovatios-hora), lo mismo que la combustión de 2,1 tep.


Combustible Nuclear

Se llama combustible nuclear cualquier material que contiene nucleidos fisionables y puede emplearse en un reactor para que en él se desarrolle una reacción nuclear en cadena.

Según esto el uranio es un combustible nuclear, como también lo es el óxido de uranio. En el primer caso nos referimos a un elemento químico, alguno de cuyos isótopos es fisionable; en el segundo, a un compuesto químico determinado que contiene tales isótopos.

Entendemos por isótopos fisionables aquellos nucleidos susceptibles de experimentar fisión. Para hablar con precisión, sería necesario especificar la energía de los neutrones que pueden hacer fisionar dicho isótopo; por ejemplo, el U-238 no es fisionable por los neutrones térmicos, pero sí por los rápidos, aunque con pequeña probabilidad (sección eficaz). Normalmente, y a no ser que se hagan mayores precisiones, suele entenderse por isótopo fisionable cualquier nucleido que fisiona tanto por la acción de los neutrones térmicos como de los rápidos.

El único isótopo fisionable que existe en la naturaleza es el uranio-235. Se encuentra en una proporción del 0,711% en el uranio natural.

Hay otros isótopos fisionables que no existen en la naturaleza pero que pueden obtenerse artificialmente. Los principales son:

El uranio-233, que se obtiene por captura de un neutrón por un núcleo de torio-232. El núcleo intermedio formado sufre dos desintegraciones beta, dando lugar al mencionado U-233. El torio es un mineral abundante en la Tierra en cantidad parecida al plomo y molibdeno, ocupando el puesto 39 en esta relación de abundancia terrestre y siendo mayor que la del uranio.

El plutonio-239. Aunque han podido detectarse trazas de él, se considera que no es un isótopo natural. Se forma en la captura de un neutrón por un núcleo de U-238, seguida por dos emisiones beta. El plutonio es un elemento que no existe en estado libre en la corteza terrestre pues su período de semidesintegración es muy inferior al del uranio-238 y al del torio-232, así como al tiempo transcurrido desde la formación de la Tierra.

• Menor importancia que los anteriores tiene el plutonio-241. Se forma por captura de un neutrón en el Pu-240, el cual procede, a su vez, de la captura de un neutrón por un núcleo de Pu-239.



Material Fértil

Existen determinados nucleidos de elementos de elevado peso atómico que reaccionan con los neutrones, capturando éstos y emitiendo después partículas beta, con la circunstancia de que el nucleido final es fisionable. Dichos nucleidos iniciales, no fisionables con neutrones térmicos, son de un gran interés práctico, puesto que si se introducen dentro de un reactor nuclear sirven de materia prima para la obtención de combustible nuclear. Reciben el nombre de nucleidos fértiles y el material que los contiene el de material fértil.

El torio-232 y el uranio-238 son los dos isótopos fértiles más importantes. Por lo tanto el torio y el uranio natural o empobrecido son los dos materiales fértiles de mayor interés técnico.



Aplicación Práctica de la Fusión Nuclear

El interés práctico de la fusión nuclear se encuentra en la cantidad de energía obtenida y en la abundancia de los elementos atómicos empleados, lo que le da el carácter de energía inagotable.

En las reacciones nucleares de fusión se emplean elementos átomos ligeros, en general el hidrógeno y sus isótopos: el deuterio y el tritio. El deuterio abunda en el agua del mar en una proporción de un átomo por cada 6.500 de hidrógeno. Como además, tres cuartas partes del planeta están cubiertas por agua, se puede afirmar que las reservas son inagotables. El tritio, aunque es escaso en la naturaleza, se puede generar mediante reacciones nucleares de neutrones con los dos isótopos del litio, material, por otro lado, abundante en la corteza terrestre (20 ppm) y en el agua del mar (0,17 ppm).

Desde el punto de vista energético, por la fusión del deuterio contenido en un litro de agua, se obtiene una energía equivalente a la producida en la combustión de 300 litros de gasolina.



Investigaciones sobre Fusión Nuclear

La fusión nuclear se encuentra en un estado de desarrollo tal que hasta la fecha no se ha demostrado su factibilidad científica: es decir, la energía gastada para producir las reacciones de fusión no se ha podido recuperar en su totalidad.

Se trata de reproducir en la Tierra las condiciones en las que los isótopos del hidrógeno experimentan fusiones en el Sol. Al no poder lograr en la Tierra la gran presión gravitatoria existente en el Sol, hay que recurrir a muy altas temperaturas, en las que estos isótopos (deuterio y tritio) están totalmente ionizados, en estado llamado de “plasma“.

A esas temperaturas, el plasma no puede confinarse con materiales metálicos ni cerámicos, por lo que hay que utilizar otros métodos de confinamiento. Se han desarrollado dos líneas de trabajo científico: el confinamiento magnético y el inercial.

En la fusión por confinamiento magnético se emplean campos magnéticos para hacer que las partículas del plasma se aceleren en trayectorias alrededor de las líneas del campo magnético, y así puedan reaccionar con mayor facilidad. Actualmente existen varias máquinas que funcionan bajo el concepto Tokamak. Los resultados más notables conseguidos hasta ahora se lograron en la máquina JET en noviembre de 1991, al obtener una potencia de 1,7 MW y posteriormente, en 1993, el TFTR llegó hasta los 6 MW alcanzando temperaturas de 30 millones de ºC.

El proyecto más avanzado de confinamiento magnético es el ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor), prototipo basado en el concepto Tokamak, y en el que se espera alcanzar una ganancia energética superior a la unidad. Se trata de un proyecto multinacional de gran coste y largo período de gestación. Este proyecto se desarrolla en Cadarache (Francia).

En la fusión por confinamiento inercial se emplea un láser o un haz de partículas para suministrar la energía instantánea necesaria para la fusión de pequeñas partículas de deuterio y tritio. En la actualidad se dispone de láseres que tienen una energía de varias decenas de kilojulios. Para alcanzar la factibilidad científica será necesario incrementar su energía en un factor 10. En este sentido, en el laboratorio de Livermore, en Estados Unidos, se construido una instalación: NIF (National Ignition Facility) con una energía entre 1,8 y 2,2 MJ. Paralelamente Francia está realizando un proyecto similar: el “Láser Megajoule“, que con una energía entre 1,8 y 3,2 MJ se instalará en Burdeos.