Introducción

Una de las fuentes de energía más modernas y que sin lugar a duda ha levantado más polémica, es la energía nuclear, que es la que se obtiene a partir de reacciones de partículas y núcleos atómicos. Estas reacciones pueden darse de forma espontánea o bien pueden ser  provocadas  por  el  ser humano, que  desde  hace bastante  tiempo ha hecho uso  de  la energía  nuclear  para  obtener electricidad y para ello ha procedido a la construcción de centrales nucleares; éstas son instalaciones que producen electricidad gracias a la utilización de reactores, que son dispositivos preparados para producir una reacción nuclear controlada que se puede obtener por dos procesos diferentes, mediante fisión y fusión. La primera se emplea actualmente en las centrales nucleares, su primera aplicación práctica fue la bomba atómica. El segundo proceso está en investigación y se obtiene en laboratorios, ya  que se emplea más energía en la obtención, que en la obtenida mediante éste proceso y por ello todavía no es viable.

El objetivo principal de este trabajo es mostrar detalladamente todo lo que engloba la energía nuclear, dando a conocer los hallazgos relevantes y su utilización, así como también los diferentes procesos con los cuales se produce, presentando también sus ventajas y desventajas hacia la humanidad y  medio ambiente, como también los riesgos que se genera al producir este tipo de energía.

Radiación

La intensa fuerza nuclear mantiene unidos a protones y neutrones en el núcleo atómico superando la fuerza de repulsión de Coulomb, llamada así por Charles Augustin Coulomb (1736-1806), un físico francés cuya mayor aportación fue en el  campo del magnetismo y la electricidad. Sin embargo, cuando la fuerza nuclear no es suficiente, los núcleos de los átomos se vuelven inestables y emiten partículas o fotones convirtiéndose en radioactivos.




http://es.wikipedia.org/wiki/Radiaci%C3%B3n

La radiación se define como la prioridad de algunos materiales de emitir rayos muy penetrantes. Está integrada por partículas alfa, partículas beta y rayos gamma.

-         Alfa: Emisión de átomos con dos protones y dos neutrones. Estas partículas son idénticas a núcleos de helio (4He).

-         Beta: Hay dos tipos de desintegración, beta positivo y beta negativo. El beta positivo es una emisión de un positrón acompañado de un neutrino. El beta negativo es la emisión de un electrón acompañado de un antineutrino.

-      Gamma: Es la emisión de fotones de frecuencia muy alta. El átomo radiactivo se conserva igual, pero con un estado de energía menor

Isótopos y Radioisótopos

Los Isótopos son átomos de un mismo elemento que tienen igual número de protones y electrones (igual número atómico) pero diferente número de neutrones (difieren en su masa atómica). A los isótopos radioactivos de un elemento se les denomina radioisótopos.

Los radioisótopos  tienen infinidad de aplicaciones en el campo de la medicina, la arqueología y la industria. En la tabla 1 se indican algunas.

Tabla 1. Usos diversos de radioisótopos

NOMBRE DEL RADIOISÓTOPO	USOS
3/1 H	-         Determinación del contenido corporal total del agua. -         Añejamiento de vinos
14 C	-    Determinación de la edad de los restos fósiles, con la antigüedad de entre 500 y 50 000 años.
24 Na	-        Para usarse como rastreador en el torrente sanguíneo y localizar obstrucciones o reducciones en el sistema circulatorio.
32 P	-         Para determinar el grado de ingestión de fosforo en las plantas. -         Para la detección del cáncer en la piel. -         Para el tratamiento de la leucemia.
40  K	-      Para la determinación de la edad de los restos fósiles de 10 000 años a las muestras más antiguas.
45 Ca	-        En el metabolismo del calcio presente en el suero de la sangre y huesos.
51 Cr	-        Para determinar el volumen de glóbulos rojos y el volumen total de sangre.
57 Co	-         Para medir la incorporación de vitamina B12.
59 Fe	-         Para determinar la velocidad de formación de glóbulos rojo.
60 Co	-         Para irradiar alimentos con la finalidad de preservarlos. -         Para el tratamiento de cáncer por radiación.
67 Ga	-         Para la exploración de tumores pulmonares.
74 As	-         Para la localización de tumores cerebrales.
99 Tc	-    Para obtener imágenes de encéfalo, tiroides, hígado, riñón, pulmón y sistema cardiovascular
131 I	-         Para el diagnóstico del mal funcionamiento de tiroides.
153 Gd	-         Para determinar la densidad ósea (osteoporosis).
187 Re	-  Para determinar la edad de los restos fósiles con una antigüedad de entre 40 millones años y la edad del universo. -         Para determinar la edad de los meteoritos.
198 Au	-         Para el tratamiento del cáncer y de próstata.
226 Ra	-         Para terapia del cáncer por radiación.
238 Pu	-         Usado como suministro de energía en marcapasos.
241 Am	-         Para accionar alarmas contra incendio al detectar humo.

Desintegracion radioactiva

Los núcleos están compuestos por protones y neutrones, que se mantienen unidos por la denominada fuerza fuerte. Algunos núcleos tienen una combinación de protones y neutrones que no conducen a una configuración estable. Estos núcleos son inestables o radiactivos. Los núcleos inestables tienden a aproximarse a la configuración estable emitiendo ciertas partículas. Los tipos de desintegración radiactiva se clasifican de acuerdo a la clase de partículas emitidas. Hay tres tipos de desintegración: decaimiento alfa, beta y gamma.

Decaimiento alfa: Se presenta cuando hay una emisión de partículas alfa. Su núcleo radioactivo pierde dos protones y dos neutrones, lo que disminuye en cuatro su masa atómica y en dos su número atómico.

Decaimiento beta: Ocurre cuando un neutrón se transforma en un protón y un electrón.

 

Decaimiento gamma: Se produce un desprendimiento de energía en el núcleo, y debido a que los rayos gamma son fotones de energía sin carga ni masa, se conservan la masa atómica y el número atómico. 

fisión

Como los neutrones no tienen carga eléctrica pueden penetrar al núcleo atómico sin que exista repulsión electrostática. Los muy rápidos llegan a desintegrar el átomo; los lentos, pueden ser capturados por éste y formar un isótopo inestable.

El fenómeno de la fisión nuclear consiste en bombardear núcleos pesados con neutrones para hacerlos inestables y obtener núcleos ligeros, neutrones y gran cantidad de energía en forma de calor y radiación (figura 10).

Los neutrones que resultan en cada proceso de fisión nuclear incitan rompimientos. A gran escala, dan origen a una reacción en cadena.

Reactor nuclear

Una central nucleoeléctrica es una planta que utiliza la energía contenida dentro del átomo, a través de un dispositivo denominado reactor nuclear. El reactor nuclear controla el proceso de fisión, para que se aproveche el calor generado para producir vapor de agua, el cual mueve turbinas que accionan generadores de energía eléctrica.

Los componentes básicos de un reactor nuclear son: blindaje, combustible, moderador, refrigerantes y varillas de control.

El blindaje o escudo es el material que recubre al reactor nuclear. Evite que la radiación escape. Generalmente está formado por ladrillos de grafito recubierto por una segunda capa de concreto.

El combustible nuclear que se utiliza es principalmente el ²³⁹Pu y oxido de uranio U₃O₈’ que contiene alrededor del 0.7% de ²³⁵U. Este compuesto debe enriquecerse para aumentar su proporción a 3 o 4%. El combustible en formas de varillas se coloca entre los espacios de grafito localizado dentro del reactor.

El moderador tiene como función mantener bajo control la reacción de cadena. Frena a los neutrones para que puedan fisionar en los núcleos pesados. En este procedimiento se usan agua pesada, grafito, agua común, H2, He y Be.

El refrigerante tiene como función extraer el calor del interior del reactor. Esto se hace con CO₂, helio agua pesada, sodio fundido y agua normal.

Las varillas de control son barras colocadas a distancias variables. Absorben neutrones para mantener bajo control su concentración. Se hacen de acero boro, cadmio y hafnio. Su importancia radica en que de no controlarse el calor generado fundiría el centro del reactor y el material radiactivo escaparía. Para evitar lo anterior, en todo momento se tiene listo un conjunto de barras suplementarias.

Producción de electricidad en la central nuclear

Una central nuclear tiene cuatro partes: 

1.     El reactor en el que se produce la fisión

2.     El generador de vapor en el que el calor producido por la fisión se usa para hacer hervir agua

3.     La turbina que produce electricidad con la energía contenida en el vapor

4.     El condensador en el cual se enfría el vapor, convirtiéndolo en agua líquida.

La reacción nuclear tiene lugar en el reactor, en él están las agrupaciones de varillas de combustible intercaladas con unas decenas de barras de control que están hechas de un material que absorbe los neutrones. Introduciendo estas barras de control más o menos se controla el ritmo de la fisión nuclear ajustándolo a las necesidades de generación de electricidad.

En las centrales nucleares habituales hay un circuito primario de agua en el que esta se calienta por la fisión del uranio. Este circuito forma un sistema cerrado en el que el agua circula bajo presión, para que permanezca líquida a pesar de que la temperatura que alcanza es de unos 293ºC.

Con el agua del circuito primario se calienta otro circuito de agua, llamado secundario. El agua de este circuito secundario se transforma en vapor a presión que es conducido a una turbina. El giro de la turbina mueve a un generador que es el que produce la corriente eléctrica.

Finalmente, el agua es enfriada en torres de enfriamiento, o por otros procedimientos.


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Medidas de seguridad

En las centrales nucleares habituales el núcleo del reactor está colocado dentro de una vasija gigantesca de acero diseñada para que si ocurre un accidente no salga radiación al ambiente. Esta vasija junto con el generador de vapor están colocados en un edificio construido con grandes medidas de seguridad con paredes de hormigón armado de uno a dos metros de espesor diseñadas para soportar terremotos, huracanes y hasta colisiones de aviones que chocaran contra él.

·         VENTAJAS DE LA FISIÓN NUCLEAR

Una de las ventajas es que es mucho menos contaminante que los combustibles fósiles. Comparativamente las centrales nucleares emiten muy pocos contaminantes a la atmósfera. La fisión nuclear es una reacción exotérmica que libera enormes cantidades de energía; por ejemplo, un gramo de uranio-235 puede proporcionar tanta energía como la que se obtendría de quemar 2600 toneladas de carbón.

Actualmente, alrededor 20% de la energía eléctrica consumida por Estados Unidos proviene de reactores nucleares, aunque en Europa es aún mayor. Así, en algunos países como Francia representa el 70%. El promedio a nivel mundial oscila alrededor de 14%, y se estima que aumentará a 40% para el año 2020. En el caso de México, sólo tenemos una planta nucleoeléctrica, en Laguna Verde, Veracruz.

·         RIESGOS DE LA FISIÓN NUCLEAR

Un riesgo importante del uso de la fisión nuclear lo representa los productos que generan; por ejemplo, el ⁹⁰Sr es radioactivo y peligroso, con vida media larga, mientras que el ²³⁰Pu es una sustancia tóxica, emisora de rayos gamma, con una vida media de 24 400años.

Otro factor en contra de la fisión nuclear es la posibilidad de que se produzcan accidentes, como el que ocurrió con el reactor de la isla Three en Pensilvania. Estados Unidos, en 1979, donde hubo emisión de radiación, también  el de Chernobyl,  cuyo reactor se salió de control y la explosión liberó grandes cantidades de radiación y lluvia radioactiva. Este ha sido el accidente que  alcanzó la categoría  más alta, es decir el nivel 7, en  la escala INES; superando así, con una dimensión 500 veces mayor, a la cantidad de material  radioactiva liberada por la bomba atómica que Estados Unidos arrojó sobre Hiroshima en 1945.

Esta catástrofe ocurrió cuando el reactor 4 de la Central aumentó su potencia e hizo explotar el hidrógeno acumulado en su núcleo; unido a otras causas, entre ellas la falta de precaución.

Este acontecimiento ocasionó la muerte de varias personas, obligó la evacuación de miles de ellas, y casos alarmantes de cáncer y mutaciones en vecinos del lugar y países de Europa. Aún hoy sigue afectando zonas cercanas y su contaminación aún reside en el suelo y en el aire de Chernóbyl, por lo tanto es una ciudad prácticamente fantasma.

A pesar de todo lo sucedido, esta Central fue cerrada apenas hace 10 años y las deficientes condiciones de seguridad persisten en otras plantas nucleares alrededor del mundo. Por lo tanto, miles de accidentes nucleares se siguen presentando alrededor del mundo afectando flora, fauna y hasta seres humanos de una u otra forma.

La tragedia ocurrida en Chernóbyl es un claro ejemplo del riesgo que implica la manipulación de la energía nuclear y sobre todo de los resultados que puede ocasionar un accidente por descuidos o malas condiciones de seguridad.

También está el accidente nuclear de Fukushima Daiichi o Fukushima I comprende  una  serie de  incidentes,  tales como explosiones en los edificios que  albergan los reactores nucleares, fallos  en  los  sistemas de refrigeración o  liberación  de radiación al exterior, que se están registrando en las instalaciones de la central nuclear Fukushima I en Japón, a consecuencia de los desperfectos ocasionados por el terremoto, y posterior  tsunami, que afectó al noreste de Japón en la jornada del 11 de marzo de 2011. 

¿Qué paso en Fukushima?

Al parar la central de Fukushima, esta dejó de producir electricidad para las bombas y entraron en funcionamiento los generadores diesel auxiliares. Estos se quedaron sin combustible o se estropearon por el tsunami. Entonces entraron las baterías de reserva. Agotadas las baterías, intentaron conectar equipos generadores sobre camión, pero por alguna razón técnica, de combustible o de accesos, no pudieron conectarse.

 Sin  refrigeración, la temperatura sube muy rápido e intentaron aportar agua no destilada e inundar el recinto de la olla (sumergiéndola), pero la generación de vapor y su acumulación a presión en el recinto del edificio, hizo que tuvieran que  evacuar vapor  con nitrógeno  activo y  argón  a través de las válvulas y filtros del edificio. La temperatura entonces estaría cerca de los 500 grados. Es posible que el agua se descompusiera  en oxígeno e hidrógeno y  produjera una  explosión en el exterior de los sistemas de confinamiento y volando el techo del edificio del reactor.

El vapor mantenía el nivel de agua por encima del nivel de la olla de acero, al producirse la explosión y desaparecer la presión, el nivel de agua bajó y antes de que fuese restaurado el nivel de agua, se produjo un incremento de temperatura que fundió las barras de circonio (2.200 grados). El yodo y el cesio se mezclaron con el vapor y salieron al exterior. Al agua de mar se añadió acido bórico, para ayudar a terminar de absorber neutrones.

Un riesgo más de la fisión nuclear es el almacenaje de los residuos radioactivos generados; aunque para éstos se construyen cementerios subterráneos o marinos, o se aprovechan formaciones geológicas profundas, ello no garantiza que no haya contaminación de aguas y suela, con las consecuencias que esto puede tener para los seres vivos.

Dos características hacen especiales a los residuos radiactivos:

-         Su gran peligrosidad. Cantidades muy pequeñas pueden originar dosis de radiación peligrosas para la salud humana.

-         Su duración. Algunos de estos isótopos permanecerán emitiendo radiaciones miles y decenas de miles de años.

Así se entiende que aunque la cantidad de este tipo de residuos que se producen en un país sea comparativamente mucho menor que la de otros tipos, sus tecnologías y métodos de tratamiento sean mucho más complicados y difíciles.

Tipos de residuos radiactivos:

Hay dos grandes grupos de residuos radiactivos:

-         Residuos de alta actividad.- Son los que emiten altas dosis de radiación. Están formados, fundamentalmente, por los restos que quedan de las varillas del uranio que se usa como combustible en las centrales nucleares y otras sustancias que están en el reactor y por residuos de la fabricación de armas atómicas. Se entiende que el almacenamiento de este tipo de residuos debe ser garantizado por decenas de miles de años hasta que la radiactividad baje lo suficiente como para que dejen de ser peligrosos. 

-         Residuos de media o baja actividad.- Emiten cantidades pequeñas de radiación. Están formados por herramientas, ropas, piezas de repuesto, lodos, etc. de las centrales nucleares y de la Universidad, hospitales, organismos de investigación, industrias, etc.