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Química 2ed

21.4 Transmutación y energía nuclear

Química 2ed21.4 Transmutación y energía nuclear

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Índice
  1. Prefacio
  2. 1 Ideas esenciales
    1. Introducción
    2. 1.1 La química en su contexto
    3. 1.2 Fases y clasificación de la materia
    4. 1.3 Propiedades físicas y químicas
    5. 1.4 Mediciones
    6. 1.5 Incertidumbre, exactitud y precisión de las mediciones
    7. 1.6 Tratamiento matemático de los resultados de las mediciones
    8. Términos clave
    9. Ecuaciones clave
    10. Resumen
    11. Ejercicios
  3. 2 Átomos, moléculas e iones
    1. Introducción
    2. 2.1 Las primeras ideas de la teoría atómica
    3. 2.2 Evolución de la teoría atómica
    4. 2.3 Estructura atómica y simbolismo
    5. 2.4 Fórmulas químicas
    6. 2.5 La tabla periódica
    7. 2.6 Compuestos iónicos y moleculares
    8. 2.7 Nomenclatura química
    9. Términos clave
    10. Ecuaciones clave
    11. Resumen
    12. Ejercicios
  4. 3 Composición de sustancias y soluciones
    1. Introducción
    2. 3.1 La fórmula de masa y el concepto de mol
    3. 3.2 Determinación de fórmulas empíricas y moleculares
    4. 3.3 Molaridad
    5. 3.4 Otras unidades para las concentraciones de las soluciones
    6. Términos clave
    7. Ecuaciones clave
    8. Resumen
    9. Ejercicios
  5. 4 Estequiometría de las reacciones químicas
    1. Introducción
    2. 4.1 Escritura y balance de ecuaciones químicas
    3. 4.2 Clasificación de las reacciones químicas
    4. 4.3 Estequiometría de la reacción
    5. 4.4 Rendimiento de la reacción
    6. 4.5 Análisis químico cuantitativo
    7. Términos clave
    8. Ecuaciones clave
    9. Resumen
    10. Ejercicios
  6. 5 Termoquímica
    1. Introducción
    2. 5.1 Conceptos básicos de energía
    3. 5.2 Calorimetría
    4. 5.3 Entalpía
    5. Términos clave
    6. Ecuaciones clave
    7. Resumen
    8. Ejercicios
  7. 6 Estructura electrónica y propiedades periódicas de los elementos
    1. Introducción
    2. 6.1 Energía electromagnética
    3. 6.2 El modelo de Bohr
    4. 6.3 Desarrollo de la teoría cuántica
    5. 6.4 Estructura electrónica de los átomos (configuraciones de electrones)
    6. 6.5 Variaciones periódicas de las propiedades de los elementos
    7. Términos clave
    8. Ecuaciones clave
    9. Resumen
    10. Ejercicios
  8. 7 Enlace químico y geometría molecular
    1. Introducción
    2. 7.1 Enlace iónico
    3. 7.2 Enlace covalente
    4. 7.3 Símbolos y estructuras de Lewis
    5. 7.4 Cargas formales y resonancia
    6. 7.5 Fuerza de los enlaces iónicos y covalentes
    7. 7.6 Estructura molecular y polaridad
    8. Términos clave
    9. Ecuaciones clave
    10. Resumen
    11. Ejercicios
  9. 8 Teorías avanzadas del enlace covalente
    1. Introducción
    2. 8.1 Teoría de enlace de valencia
    3. 8.2 Orbitales atómicos híbridos
    4. 8.3 Enlaces múltiples
    5. 8.4 Teoría de los orbitales moleculares
    6. Términos clave
    7. Ecuaciones clave
    8. Resumen
    9. Ejercicios
  10. 9 Gases
    1. Introducción
    2. 9.1 Presión del gas
    3. 9.2 Relaciones entre presión, volumen, cantidad y temperatura: la ley de los gases ideales
    4. 9.3 Estequiometría de sustancias gaseosas, mezclas y reacciones
    5. 9.4 Efusión y difusión de los gases
    6. 9.5 La teoría cinético-molecular
    7. 9.6 Comportamiento no ideal de los gases
    8. Términos clave
    9. Ecuaciones clave
    10. Resumen
    11. Ejercicios
  11. 10 Líquidos y sólidos
    1. Introducción
    2. 10.1 Fuerzas intermoleculares
    3. 10.2 Propiedades de los líquidos
    4. 10.3 Transiciones de fase
    5. 10.4 Diagramas de fase
    6. 10.5 El estado sólido de la materia
    7. 10.6 Estructuras de red en los sólidos cristalinos
    8. Términos clave
    9. Ecuaciones clave
    10. Resumen
    11. Ejercicios
  12. 11 Soluciones y coloides
    1. Introducción
    2. 11.1 El proceso de disolución
    3. 11.2 Electrolitos
    4. 11.3 Solubilidad
    5. 11.4 Propiedades coligativas
    6. 11.5 Coloides
    7. Términos clave
    8. Ecuaciones clave
    9. Resumen
    10. Ejercicios
  13. 12 Cinética
    1. Introducción
    2. 12.1 Tasas de reacciones químicas
    3. 12.2 Factores que afectan las tasas de reacción
    4. 12.3 Leyes de velocidad
    5. 12.4 Leyes de tasas integradas
    6. 12.5 Teoría de colisiones
    7. 12.6 Mecanismos de reacción
    8. 12.7 Catálisis
    9. Términos clave
    10. Ecuaciones clave
    11. Resumen
    12. Ejercicios
  14. 13 Conceptos fundamentales del equilibrio
    1. Introducción
    2. 13.1 Equilibrio químico
    3. 13.2 Constantes de equilibrio
    4. 13.3 Equilibrios cambiantes: el principio de Le Châtelier
    5. 13.4 Cálculos de equilibrio
    6. Términos clave
    7. Ecuaciones clave
    8. Resumen
    9. Ejercicios
  15. 14 Equilibrios ácido-base
    1. Introducción
    2. 14.1 Ácidos y Bases de Brønsted-Lowry
    3. 14.2 pH y pOH
    4. 14.3 Fuerza relativa de los ácidos y las bases
    5. 14.4 Hidrólisis de sales
    6. 14.5 Ácidos polipróticos
    7. 14.6 Tampones
    8. 14.7 Titulaciones ácido-base
    9. Términos clave
    10. Ecuaciones clave
    11. Resumen
    12. Ejercicios
  16. 15 Equilibrios de otras clases de reacción
    1. Introducción
    2. 15.1 Precipitación y disolución
    3. 15.2 Ácidos y Bases de Lewis
    4. 15.3 Equilibrios acoplados
    5. Términos clave
    6. Ecuaciones clave
    7. Resumen
    8. Ejercicios
  17. 16 Termodinámica
    1. Introducción
    2. 16.1 Espontaneidad
    3. 16.2 Entropía
    4. 16.3 La segunda y la tercera ley de la termodinámica
    5. 16.4 Energía libre
    6. Términos clave
    7. Ecuaciones clave
    8. Resumen
    9. Ejercicios
  18. 17 Electroquímica
    1. Introducción
    2. 17.1 Repaso de química redox
    3. 17.2 Celdas galvánicas
    4. 17.3 Potenciales del electrodo y de la celda
    5. 17.4 Potencial, energía libre y equilibrio
    6. 17.5 Baterías y pilas de combustible
    7. 17.6 Corrosión
    8. 17.7 Electrólisis
    9. Términos clave
    10. Ecuaciones clave
    11. Resumen
    12. Ejercicios
  19. 18 Metales representativos, metaloides y no metales
    1. Introducción
    2. 18.1 Periodicidad
    3. 18.2 Incidencia y preparación de los metales representativos
    4. 18.3 Estructura y propiedades generales de los metaloides
    5. 18.4 Estructura y propiedades generales de los no metales
    6. 18.5 Incidencia, preparación y compuestos de hidrógeno
    7. 18.6 Incidencia, preparación y propiedades de los carbonatos
    8. 18.7 Incidencia, preparación y propiedades del nitrógeno
    9. 18.8 Incidencia, preparación y propiedades del fósforo
    10. 18.9 Incidencia, preparación y compuestos del oxígeno
    11. 18.10 Incidencia, preparación y propiedades del azufre
    12. 18.11 Incidencia, preparación y propiedades de los halógenos
    13. 18.12 Incidencia, preparación y propiedades de los gases nobles
    14. Términos clave
    15. Resumen
    16. Ejercicios
  20. 19 Metales de transición y química de coordinación
    1. Introducción
    2. 19.1 Incidencia, preparación y propiedades de los metales de transición y sus compuestos
    3. 19.2 Química de coordinación de los metales de transición
    4. 19.3 Propiedades espectroscópicas y magnéticas de los compuestos de coordinación
    5. Términos clave
    6. Resumen
    7. Ejercicios
  21. 20 Química orgánica
    1. Introducción
    2. 20.1 Hidrocarburos
    3. 20.2 Alcoholes y éteres
    4. 20.3 Aldehídos, cetonas, ácidos carboxílicos y ésteres
    5. 20.4 Aminas y amidas
    6. Términos clave
    7. Resumen
    8. Ejercicios
  22. 21 Química nuclear
    1. Introducción
    2. 21.1 Estructura y estabilidad nuclear
    3. 21.2 Ecuaciones nucleares
    4. 21.3 Decaimiento radiactivo
    5. 21.4 Transmutación y energía nuclear
    6. 21.5 Usos de los radioisótopos
    7. 21.6 Efectos biológicos de la radiación
    8. Términos clave
    9. Ecuaciones clave
    10. Resumen
    11. Ejercicios
  23. A La tabla periódica
  24. B Matemáticas esenciales
  25. C Unidades y factores de conversión
  26. D Constantes físicas fundamentales
  27. E Propiedades del agua
  28. F Composición de los ácidos y las bases comerciales
  29. G Propiedades termodinámicas estándar de determinadas sustancias
  30. H Constantes de ionización de los ácidos débiles
  31. I Constantes de ionización de las bases débiles
  32. J Productos de solubilidad
  33. K Constantes de formación de iones complejos
  34. L Potenciales de electrodos estándar (media celda)
  35. M Semivida de varios isótopos radiactivos
  36. Clave de respuestas
    1. Capítulo 1
    2. Capítulo 2
    3. Capítulo 3
    4. Capítulo 4
    5. Capítulo 5
    6. Capítulo 6
    7. Capítulo 7
    8. Capítulo 8
    9. Capítulo 9
    10. Capítulo 10
    11. Capítulo 11
    12. Capítulo 12
    13. Capítulo 13
    14. Capítulo 14
    15. Capítulo 15
    16. Capítulo 16
    17. Capítulo 17
    18. Capítulo 18
    19. Capítulo 19
    20. Capítulo 20
    21. Capítulo 21
  37. Índice

Objetivos de aprendizaje

Al final de esta sección, podrá:

  • Describir la síntesis de los nucleidos transuránicos.
  • Explicar los procesos de fisión y fusión nuclear.
  • Relacionar los conceptos de masa crítica y reacciones nucleares en cadena.
  • Resumir los requisitos básicos de los reactores nucleares de fisión y fusión.

Tras el descubrimiento de la radiactividad, se creó el campo de la química nuclear, que se desarrolló rápidamente a principios del siglo XX. Una serie de nuevos descubrimientos en las décadas de 1930 y 1940, junto con la Segunda Guerra Mundial, se combinaron para dar paso a la Era Nuclear a mediados del siglo XX. Los científicos aprendieron a crear nuevas sustancias y se descubrió que ciertos isótopos de determinados elementos poseían la capacidad de producir cantidades de energía sin precedentes, con el potencial de causar enormes daños durante la guerra, así como de producir enormes cantidades de energía para las necesidades de la sociedad durante la paz.

Síntesis de nucleidos

La transmutación nuclear es la conversión de un nucleido en otro. Se produce por el decaimiento radiactivo de un núcleo o por la reacción de un núcleo con otra partícula. El primer núcleo artificial se produjo en el laboratorio de Ernest Rutherford en 1919 mediante una reacción de transmutación: el bombardeo de un tipo de núcleo con otros núcleos o con neutrones. Rutherford bombardeó átomos de nitrógeno con partículas α de alta velocidad procedentes de un isótopo radiactivo natural de radio y observó los protones resultantes de la reacción:

714N+2 4He817O+11H714N+2 4He817O+11H

Los núcleos 817O817O y 11H11H que se producen son estables, por lo que no ocurren más cambios (nucleares).

Para alcanzar las energías cinéticas necesarias para generar reacciones de transmutación, se utilizan dispositivos llamados aceleradores de partículas. Estos dispositivos utilizan campos magnéticos y eléctricos para aumentar la velocidad de las partículas nucleares. En todos los aceleradores, las partículas se mueven en el vacío para no colisionar con las moléculas de gas. Cuando se necesitan neutrones para las reacciones de transmutación, se obtienen de reacciones de decaimiento radiactivo o de diversas reacciones nucleares que se producen en los reactores nucleares. El siguiente artículo de "La química en la vida cotidiana” trata de un famoso acelerador de partículas que fue noticia en todo el mundo.

La química en la vida cotidiana

Acelerador de partículas del CERN

El laboratorio del CERN ("Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire", o Consejo Europeo de Investigación Nuclear), situado cerca de Ginebra, es el principal centro del mundo para la investigación de las partículas fundamentales que componen la materia. Contiene el Gran Colisionador de Hadrones (Large Hadron Collider, LHC), de 27 kilómetros (17 millas) de longitud y forma circular, el mayor acelerador de partículas del mundo (Figura 21.13). En el LHC, las partículas se elevan a altas energías y luego se hacen colisionar entre sí o con objetivos estacionarios a casi la velocidad de la luz. Se utilizan electroimanes superconductores para producir un fuerte campo magnético que guía las partículas alrededor del anillo. Detectores especializados y construidos a propósito observan y registran los resultados de estas colisiones, que luego son analizados por los científicos del CERN mediante potentes computadoras.

Se muestran dos fotos marcadas como "a" y "b". La foto a muestra una vista aérea del Gran Colisionador de Hadrones. La foto b muestra un túnel de hormigón con rieles en el suelo y tubos y cables que recorren la pared. Dos personas caminan por el túnel.
Figura 21.13 Se muestra una pequeña sección del LHC con trabajadores recorriéndolo (créditos: Christophe Delaere).

En 2012, el CERN anunció que los experimentos del LHC mostraban las primeras observaciones del bosón de Higgs: una partícula elemental que ayuda a explicar el origen de la masa en las partículas fundamentales. Este esperado descubrimiento fue noticia en todo el mundo y dio lugar a la concesión del Premio Nobel de Física 2013 a François Englert y Peter Higgs, que habían predicho la existencia de esta partícula casi 50 años antes.

Antes de 1940, el elemento más pesado conocido era el uranio, cuyo número atómico es 92. Ahora, se han sintetizado y aislado muchos elementos artificiales, entre ellos varios a tan gran escala que han tenido un profundo efecto en la sociedad. Uno de ellos [el elemento 93, el neptunio (Np)] fue fabricado por primera vez en 1940 por McMillan y Abelson al bombardear uranio-238 con neutrones. La reacción crea uranio-239 inestable, con una semivida de 23,5 minutos, que luego decae en neptunio-239. El neptunio-239 también es radiactivo, con una semivida de 2,36 días, y decae en plutonio-239. Las reacciones nucleares son:

92238U+ 01n 92239U 92239U 93239Np+ -10esemivida=23,5 min 93239Np 94239Pu+ -10esemivida=2,36 días 92238U+ 01n 92239U 92239U 93239Np+ -10esemivida=23,5 min 93239Np 94239Pu+ -10esemivida=2,36 días

En la actualidad, el plutonio se forma principalmente en los reactores nucleares como subproducto durante la fisión del U-235. Durante este proceso de fisión se liberan neutrones adicionales (vea la siguiente sección), algunos de los cuales se combinan con núcleos de U-238 para formar uranio-239; este se somete a decaimiento β para formar neptunio-239, que a su vez se somete a decaimiento β para formar plutonio-239, como se ilustra en las tres ecuaciones anteriores. Estos procesos se resumen en la ecuación:

92238U+ 01n 92239Uβ 93239Npβ 94239Pu92238U+ 01n 92239Uβ 93239Npβ 94239Pu

Los isótopos más pesados del plutonio (Pu-240, Pu-241 y Pu-242) también se producen cuando los núcleos más ligeros de plutonio capturan neutrones. Una parte de este plutonio altamente radiactivo se utiliza para fabricar armas militares; el resto representa un grave problema de almacenamiento porque tiene semividas de miles a cientos de miles de años.

Aunque no se han preparado en la misma cantidad que el plutonio, se han producido muchos otros núcleos sintéticos. La medicina nuclear se ha desarrollado a partir de la capacidad de convertir átomos de un tipo en otros tipos de átomos. Actualmente se utilizan isótopos radiactivos de varias docenas de elementos para aplicaciones médicas. La radiación producida por su decaimiento se utiliza para obtener imágenes o tratar diversos órganos o partes del cuerpo, entre otros usos.

Los elementos más allá del elemento 92 (uranio) se denominan elementos transuránicos. Al momento de redactar este artículo se han producido 22 elementos transuránicos, reconocidos oficialmente por la IUPAC). Otros elementos tienen reivindicaciones de formación que están a la espera de aprobación. Algunos de estos elementos se muestran en la Tabla 21.3.

Preparación de algunos elementos transuránicos
Nombre Símbolo Número atómico Reacción
americio Am 95 94239Pu+ 01n 95240Am+ -10e 94239Pu+ 01n 95240Am+ -10e
curio Cm 96 94239Pu+ 2 4He 96242Cm+ 01n 94239Pu+ 2 4He 96242Cm+ 01n
californio Cf 98 96242Cm+ 2 4He 98245Cf+ 01n 96242Cm+ 2 4He 98245Cf+ 01n
einstenio Es 99 92238U+15 01n 99253Es+7 -10e 92238U+15 01n 99253Es+7 -10e
mendelevio Md 101 99253Es+ 2 4He 101256Md+ 01n 99253Es+ 2 4He 101256Md+ 01n
nobelio No 102 96246Cm+ 612C 102254No+4 01n 96246Cm+ 612C 102254No+4 01n
rutherfordio Rf 104 98249Cf+ 612C 104257Rf+4 01n 98249Cf+ 612C 104257Rf+4 01n
seaborgio Sg 106 82206Pb+ 2454Cr 106257Sg+3 01n 98249Cf+ 818O 106263Sg+4 01n 82206Pb+ 2454Cr 106257Sg+3 01n 98249Cf+ 818O 106263Sg+4 01n
meitnerio Mt 107 83209Bi+ 2658Fe 109266Mt+ 01n 83209Bi+ 2658Fe 109266Mt+ 01n
Tabla 21.3

Fisión nuclear

Muchos elementos más pesados con energías de enlace más pequeñas por nucleón pueden descomponerse en elementos más estables que tienen números de masa intermedios y energías de enlace más grandes por nucleón, es decir, números de masa y energías de enlace por nucleón que están más cerca del "pico" del gráfico de energía de enlace cerca de 56 (ver la Figura 21.3). A veces también se producen neutrones. Esta descomposición se denomina fisión, es decir, la ruptura de un núcleo grande en trozos más pequeños. La ruptura es más bien aleatoria con la formación de un gran número de productos diferentes. La fisión no se produce de forma natural, sino que se induce mediante el bombardeo con neutrones. La primera fisión nuclear de la que se tiene constancia se produjo en 1939, cuando tres científicos alemanes, Lise Meitner, Otto Hahn y Fritz Strassman, bombardearon átomos de uranio-235 con neutrones de movimiento lento que dividieron los núcleos de U-238 en fragmentos más pequeños, formados por varios neutrones y elementos cercanos a la mitad de la tabla periódica. Desde entonces, se ha observado la fisión en muchos otros isótopos, incluso la mayoría de los isótopos de actínidos que tienen un número impar de neutrones. En la Figura 21.14 se observa una reacción de fisión nuclear.

Se muestra un diagrama que tiene una esfera blanca marcada como "superíndice, 1, subíndice 0, n" seguida de una flecha hacia la derecha y una gran esfera compuesta por muchas esferas blancas y verdes más pequeñas marcadas como "superíndice, 235, subíndice 92, U". La esfera única ha impactado en la esfera mayor. Una flecha orientada a la derecha conduce desde la esfera más grande a una colección vertical en forma de mancuerna de las mismas esferas blancas y verdes marcadas como "superíndice, 236, subíndice 92, U, núcleo inestable". Dos flechas orientadas a la derecha conducen desde la parte superior e inferior de esta estructura a dos nuevas esferas que también están compuestas por esferas verdes y blancas y son ligeramente más pequeñas que las otras. La esfera superior está marcada como "superíndice, 92, subíndice 36, K r" mientras que la inferior está marcada como "superíndice, 141, subíndice 56, B a". Entre estas dos esferas se encuentra un patrón de estrellas marcado como "Energía", del que parten tres flechas orientadas a la derecha hacia tres esferas blancas marcadas como "3, superíndice, 1, subíndice 0, n". Una ecuación nuclear balanceada está escrita debajo del diagrama y dice "superíndice, 235, subíndice 92, U, signo más, superíndice, 1, subíndice 0, n, flecha de rendimiento, superíndice, 236, subíndice 92, U, flecha de rendimiento, superíndice, 141, subíndice 56, B a, signo más, superíndice, 92, subíndice 36, K r, signo más, 3, superíndice, 1, subíndice 0, n".
Figura 21.14 Cuando un neutrón lento choca con un núcleo fisionable de U-235, es absorbido y forma un núcleo inestable de U-236. A continuación, el núcleo de U-236 se rompe rápidamente en dos núcleos más pequeños (en este caso, Ba-141 y Kr-92) junto con varios neutrones (normalmente dos o tres), y libera una gran cantidad de energía.

Entre los productos de la reacción de fisión de Meitner, Hahn y Strassman se encontraban el bario, el criptón, el lantano y el cerio, todos ellos con núcleos más estables que el uranio-235. Desde entonces, se han observado cientos de isótopos diferentes entre los productos de las sustancias fisionables. Algunas de las muchas reacciones que se producen para el U-235, y un gráfico que muestra la distribución de sus productos de fisión y sus rendimientos, se muestran en la Figura 21.15. Se han observado reacciones de fisión similares con otros isótopos del uranio, así como con una variedad de otros isótopos como los del plutonio.

Se muestran cinco ecuaciones nucleares y un gráfico. La primera ecuación es "superíndice, 235, subíndice 92, U, signo más, superíndice, 1, subíndice 0, n, flecha de rendimiento, superíndice, 236, subíndice 92, U, flecha de rendimiento, superíndice, 90, subíndice 38, S r, signo más, superíndice, 144, subíndice 54, X e, signo más, 2, superíndice, 1, subíndice 0, n". La segunda ecuación es "superíndice, 235, subíndice 92, U, signo más, superíndice, 1, subíndice 0, n, flecha de rendimiento, superíndice, 236, subíndice 92, U, flecha de rendimiento, superíndice, 87, subíndice 35, B r, signo más, superíndice, 146, subíndice 57, L a, signo más, 3, superíndice, 1, subíndice 0, n". La tercera ecuación es "superíndice, 235, subíndice 92, U, signo más, superíndice, 1, subíndice 0, n, flecha de rendimiento, superíndice, 236, subíndice 92, U, flecha de rendimiento, superíndice, 97, subíndice 37, R b, signo más, superíndice, 137, subíndice 55, C s, signo más, 3, superíndice, 1, subíndice 0, n". La cuarta ecuación es "superíndice, 235, subíndice 92, U, signo más, superíndice, 1, subíndice 0, n, flecha de rendimiento, superíndice, 236, subíndice 92, U, flecha de rendimiento, superíndice, 137, subíndice 52, T e, signo más, superíndice, 97, subíndice 40, Z r, signo más, 2, superíndice, 1, subíndice 0, n". La quinta ecuación es "superíndice, 235, subíndice 92, U, signo más, superíndice, 1, subíndice 0, n, flecha de rendimiento, superíndice, 236, subíndice 92, U, flecha de rendimiento, superíndice, 141, subíndice 56, B a, signo más, superíndice, 92, subíndice 36, K r, signo más, 3, superíndice, 1, subíndice 0, n". También se muestra un gráfico en el que el eje y está marcado como "rendimiento de fisión (%)" y tiene valores de 0 a 9 en incrementos de 1, mientras que el eje x está marcado como "número de masa" y tiene valores de 60 a 180 en incrementos de 20. El gráfico comienza cerca del punto "65, 0" y sube rápidamente hasta cerca de "92, 6,6", luego baja con la misma rapidez hasta "107, 0" y permanece allí hasta el punto "127, 0". Luego, el gráfico vuelve a subir hasta cerca de "132, 8", y luego sube y baja un poco antes de caer hasta un punto "153, 0", y ponerse horizontal.
Figura 21.15 (a) La fisión nuclear del U-235 produce una serie de productos de fisión. (b) Los productos de fisión más grandes del U-235 son típicamente un isótopo con un número de masa alrededor de 85 a 105, y otro isótopo con un número de masa que es aproximadamente un 50 % mayor, es decir, alrededor de 130 a 150.

La fisión de elementos pesados produce una enorme cantidad de energía. Por ejemplo, cuando un mol de U-235 sufre una fisión, los productos pesan unos 0,2 gramos menos que los reactivos; esta masa "perdida" se convierte en una cantidad muy grande de energía, unos 1,8 ×× 1010 kJ por mol de U-235. Las reacciones de fisión nuclear producen ingentes cantidades de energía en comparación con las reacciones químicas. La fisión de 1 kilogramo de uranio-235, por ejemplo, produce aproximadamente 2,5 millones de veces más energía que la producida por la combustión de 1 kilogramo de carbón.

Como se ha descrito anteriormente, al someterse a la fisión el U-235 produce dos núcleos "de tamaño medio" y dos o tres neutrones. Estos neutrones pueden provocar la fisión de otros átomos de uranio-235, que a su vez proporcionan más neutrones que pueden provocar la fisión de aún más núcleos, y así sucesivamente. Si esto ocurre, tenemos una reacción en cadena (vea la Figura 21.16). Por otro lado, si demasiados neutrones escapan del material en bruto sin interactuar con un núcleo, no se producirá ninguna reacción en cadena.

Se muestra un diagrama que tiene una esfera blanca marcada como "superíndice, 1, subíndice 0, n" seguida de una flecha hacia la derecha y una gran esfera compuesta por muchas esferas blancas y verdes más pequeñas marcadas como "superíndice, 235, subíndice 92, U". La esfera única ha impactado en la esfera mayor. Una flecha orientada a la derecha conduce desde la esfera más grande a un par de esferas más pequeñas que son colecciones de las mismas esferas blancas y verdes. La superior de estas dos imágenes está marcada como "superíndice, 93, subíndice 36, K r" mientras que la inferior de las dos está marcada como "superíndice, 142, subíndice 56, B a". Entre estas dos esferas se encuentra un patrón en forma de estrella marcado como "energía" y con tres flechas orientadas a la derecha que conducen a tres esferas blancas marcadas como "superíndice, 1, subíndice 0, n". Una ecuación debajo de esta parte del diagrama señala: "superíndice, 235, subíndice 92, U, signo más, superíndice, 1, subíndice 0, n, flecha de rendimiento, superíndice, 140, subíndice 56, B a, signo más, superíndice 90, subíndice 36, K r, signo más, 3, superíndice 1, subíndice 0, n". Una flecha orientada a la derecha conduce desde cada una de estas esferas blancas a tres esferas más grandes, cada una de ellas compuesta por muchas esferas verdes y blancas más pequeñas y marcadas, de arriba a abajo como "a, superíndice 235, subíndice 92, U", "b, superíndice, 235, subíndice 92, U" y "c, superíndice, 235, subíndice 92, U". A cada una de estas esferas le sigue una flecha orientada a la derecha que apunta a un par de esferas más pequeñas compuestas por las mismas esferas verdes y blancas con dibujos de estrellas entre cada par marcadas como "energía". Las esferas del par superior están marcadas, de arriba a abajo, "superíndice, 96, subíndice 37, R b" y "superíndice, 137, subíndice 55, C s". Las esferas del par del medio están marcadas, de arriba a abajo, "superíndice, 90, subíndice 38, S r" y "superíndice, 144, subíndice 54, X e". Las esferas del par inferior están marcadas, de arriba a abajo, "superíndice, 87, subíndice 35, B r" y "superíndice, 146, subíndice 57, L a". Cada par de esferas va seguido de tres flechas orientadas a la derecha que conducen a tres esferas blancas marcadas como "superíndice, 1, subíndice 0, n". Debajo del diagrama hay tres ecuaciones nucleares. La ecuación a señala: "superíndice, 235, subíndice 92, U, signo más, superíndice, 1, subíndice 0, n, flecha de rendimiento, superíndice, 96, subíndice 37, R b, signo más, superíndice 137, subíndice 55, C s, signo más, 3, superíndice 1, subíndice 0, n". La ecuación b indica: "superíndice, 235, subíndice 92, U, signo más, superíndice, 1, subíndice 0, n, flecha de rendimiento, superíndice, 90, subíndice 38, S r, signo más, superíndice 144, subíndice 54, X e, signo más, 2, superíndice 1, subíndice 0, n". La ecuación c indica: "superíndice, 235, subíndice 92, U, signo más, superíndice, 1, subíndice 0, n, flecha de rendimiento, superíndice, 87, subíndice 35, B r, signo más, superíndice 146, subíndice 57, L a, signo más, 3, superíndice 1, subíndice 0, n".
Figura 21.16 La fisión de un núcleo grande, como el U-235, produce dos o tres neutrones, cada uno de los cuales es capaz de provocar la fisión de otro núcleo mediante las reacciones indicadas. Si este proceso continúa, se produce una reacción nuclear en cadena.

Se dice que el material que puede mantener una reacción nuclear en cadena de fisión es fisionable o fisible. (Técnicamente, el material fisible puede sufrir fisión con neutrones de cualquier energía, mientras que el material fisible requiere neutrones de alta energía). La fisión nuclear se convierte en autosostenible cuando el número de neutrones producidos por la fisión es igual o superior al número de neutrones absorbidos por los núcleos en división más el número que escapa a los alrededores. La cantidad de un material fisible que soportará una reacción en cadena autosostenida es una masa crítica. La cantidad de material fisible que no puede mantener una reacción en cadena es una masa subcrítica. La cantidad de material en la que hay una tasa de fisión creciente se conoce como masa supercrítica. La masa crítica depende del tipo de material: su pureza, la temperatura, la forma de la muestra y cómo se controlan las reacciones neutrónicas (Figura 21.17).

Las imágenes se muestran y se marcan como "a", "b" y "c". La imagen a, marcada como "masa subcrítica", muestra un fondo de círculo azul con una esfera blanca cerca del borde exterior, superior e izquierdo del círculo. Una flecha hacia abajo y hacia la derecha indica que la esfera blanca entra en el círculo. En el círculo azul se dibujan siete pequeñas estrellas amarillas y cada una de ellas tiene una flecha orientada hacia el exterior del círculo, en direcciones aparentemente aleatorias. La imagen b, marcada como "masa crítica", muestra un fondo de círculo azul con una esfera blanca cerca del borde exterior, superior e izquierdo del círculo. Una flecha hacia abajo y hacia la derecha indica que la esfera blanca entra en el círculo. En el círculo azul se dibujan 17 pequeñas estrellas amarillas y cada una de ellas tiene una flecha orientada hacia el exterior del círculo, en direcciones aparentemente aleatorias. La imagen c, marcada como "Masa crítica por desviación de neutrones", muestra un fondo de círculo azul, situado en un círculo púrpura más grande, con una esfera blanca cerca del borde exterior, superior e izquierdo del círculo púrpura. Una flecha hacia abajo y hacia la derecha indica que la esfera blanca entra en ambos círculos. En el círculo azul se dibujan 13 pequeñas estrellas amarillas y cada una de ellas tiene una flecha orientada hacia el exterior del círculo azul, y un par hacia el exterior del círculo morado, en direcciones aparentemente aleatorias.
Figura 21.17 (a) En la masa subcrítica, el material fisionable es demasiado pequeño y deja escapar demasiados neutrones del material, por lo que no se produce una reacción en cadena. (b) En la masa crítica, un número suficientemente grande de neutrones en el material fisionable induce la fisión para crear una reacción en cadena.

Una bomba atómica (Figura 21.18) contiene varios kilos de material fisible, 92235U92235U o 94239Pu,94239Pu, una fuente de neutrones, y un dispositivo explosivo para comprimirla rápidamente en un pequeño volumen. Cuando el material fisible está en trozos pequeños, la proporción de neutrones que escapan a través de la superficie relativamente grande es grande, y no se produce ninguna reacción en cadena. Cuando los pequeños trozos de material fisible se juntan rápidamente para formar un cuerpo con una masa mayor que la masa crítica, el número relativo de neutrones que escapan disminuye, y se produce una reacción en cadena y una explosión.

Se muestran dos diagramas, cada uno a la izquierda de una foto, y marcados como "a" y "b". El diagrama a muestra la carcasa exterior de una bomba que tiene una forma larga y tubular con una cola cuadrada. Los componentes del proyectil muestran un tubo con un disco blanco marcado como "detonador" a la izquierda, un disco naranja con una estrella amarilla brillante, dibujada alrededor, marcado como "explosivo convencional" en el centro y una flecha hacia la derecha que lleva a un disco azul en la nariz de la bomba marcado como "uranio 235". Un pequeño cono azul junto al disco naranja comparte la marcación de "uranio 235". La foto en blanco y negro junto a este diagrama muestra una toma lejana de una nube creciente sobre un paisaje. El diagrama b muestra la carcasa exterior de una bomba que tiene una forma corta y redondeada con una cola cuadrada. Los componentes del proyectil muestran un gran círculo naranja marcado como "explosivo convencional" con una serie de puntos negros alrededor de su borde, marcados como "detonadores", y una ráfaga de estrellas amarillas detrás. Las flechas blancas se dirigen desde el borde exterior del círculo naranja hasta un círculo azul en el centro con un núcleo amarillo. El círculo azul está marcado como "plutonio 239" mientras que el núcleo amarillo está marcado como "berilio, guion, iniciador de polonio". La foto en blanco y negro junto a este diagrama muestra una toma lejana de una gigantesca nube ascendente sobre un paisaje.
Figura 21.18 (a) La bomba de fisión nuclear que destruyó Hiroshima el 6 de agosto de 1945, consistía en dos masas subcríticas de U-235, en las que se utilizaron explosivos convencionales para disparar una de las masas subcríticas dentro de la otra, creando la masa crítica para la explosión nuclear. (b) La bomba de plutonio que destruyó Nagasaki el 9 de agosto de 1945, consistía en una esfera hueca de plutonio que fue rápidamente comprimida por explosivos convencionales. Esto condujo a una concentración de plutonio en el centro que era mayor que la masa crítica necesaria para la explosión nuclear.

Reactores de fisión

Las reacciones en cadena de materiales fisibles pueden controlarse y sostenerse sin ninguna explosión en un reactor nuclear (Figura 21.19). Todo reactor nuclear que produzca energía mediante la fisión de uranio o plutonio por bombardeo de neutrones deberá tener al menos cinco componentes: combustible nuclear formado por material fisionable, un moderador nuclear, refrigerante del reactor, varillas de control y un sistema de blindaje y contención. Más adelante hablaremos de estos componentes con más detalle. El reactor funciona al separar el material nuclear fisible de forma que no se pueda formar una masa crítica, controlando tanto el flujo como la absorción de neutrones para permitir el cierre de las reacciones de fisión. En un reactor nuclear utilizado para la producción de electricidad, la energía liberada por las reacciones de fisión queda atrapada como energía térmica y se utiliza para hervir agua y producir vapor. El vapor se utiliza para hacer girar una turbina, que acciona un generador para la producción de electricidad.

Se muestra una foto marcada como "a" y un diagrama marcado como "b". La foto es de una central eléctrica con dos grandes cúpulas blancas y muchos edificios. El diagrama muestra un contenedor cilíndrico con paredes gruesas marcado como "paredes de hormigón y acero" y tres componentes principales en su interior. El primero de estos componentes es un par de cilindros altos, marcados como "generadores de vapor", que se sitúan a ambos lados de un cilindro más corto, marcado como "núcleo". Junto al núcleo hay un fino cilindro marcado como "presurizador". A la izquierda de las paredes exteriores hay un conjunto de pistones marcados como "turbinas", que se asientan sobre una serie de otros equipos.
Figura 21.19 (a) La central nuclear Diablo Canyon, cerca de San Luis Obispo, es la única que funciona actualmente en California. Las cúpulas son las estructuras de contención de los reactores nucleares, y el edificio marrón alberga la turbina donde se genera la electricidad. El agua del mar se utiliza para la refrigeración. (b) Diablo Canyon utiliza un reactor de agua presurizada: uno de los pocos diseños de reactores de fisión que se utilizan en todo el mundo, para producir electricidad. La energía de las reacciones de fisión nuclear en el núcleo calienta el agua en un sistema cerrado y presurizado. El calor de este sistema produce vapor que acciona una turbina, que a su vez produce electricidad (créditos: a: modificación del trabajo de "Mike" Michael L. Baird; b: modificación del trabajo de la Comisión Reguladora Nuclear).

Combustibles nucleares

El combustible nuclear consiste en un isótopo fisible, como el uranio-235, que deberá estar presente en cantidad suficiente para proporcionar una reacción en cadena autosostenible. En los Estados Unidos, los minerales de uranio contienen entre un 0,05 y un 0,3 % del óxido de uranio U3O8; el uranio del mineral es aproximadamente un 99,3 % de U-238 no fisible y solo un 0,7 % de U-235 fisible. Los reactores nucleares requieren un combustible con una concentración de U-235 superior a la que se encuentra en la naturaleza; normalmente se enriquece para que tenga alrededor del 5 % de la masa de uranio como U-235. Con esta concentración, no es posible alcanzar la masa supercrítica necesaria para una explosión nuclear. El uranio puede enriquecerse por difusión gaseosa (el único método que se utiliza actualmente en los EE. UU.), mediante una centrifugadora de gas o por separación láser.

En la planta de enriquecimiento por difusión gaseosa donde se prepara el combustible U-235, el gas UF6 (hexafluoruro de uranio) a baja presión se mueve a través de barreras que tienen agujeros apenas lo suficientemente grandes para que el UF6 pase. Las moléculas de 235UF6, un poco más ligeras, se difunden a través de la barrera con mayor rapidez que las moléculas de 238UF6, más pesadas. Este proceso se repite a través de cientos de barreras, aumentando gradualmente la concentración de 235UF6 hasta el nivel que necesita el reactor nuclear. La base de este proceso, la ley de Graham, se describe en el capítulo sobre los gases. El gas UF6 enriquecido se recoge, se enfría hasta que se solidifica y se lleva a una instalación de fabricación donde se convierte en elementos combustibles. Cada elemento combustible está formado por varillas de combustible que contienen muchos gránulos de combustible de uranio enriquecido (normalmente UO2) del tamaño de un dedal. Los reactores nucleares modernos pueden contener hasta 10 millones de gránulos de combustible. La cantidad de energía de cada uno de estos gránulos equivale a la de casi una tonelada de carbón o 150 galones de petróleo.

Moderadores nucleares

Los neutrones que producen las reacciones nucleares se mueven demasiado rápido para provocar la fisión (vea la Figura 21.17). Primero deberán frenarse para que los absorba el combustible y así producir reacciones nucleares adicionales. El moderador nuclear es una sustancia que ralentiza los neutrones hasta una velocidad lo suficientemente baja como para provocar la fisión. Los primeros reactores utilizaban grafito de gran pureza como moderador. Los reactores modernos de los EE. UU. utilizan exclusivamente agua pesada (12H2O)(12H2O) o agua ligera (H2O ordinario), mientras que algunos reactores de otros países utilizan otros materiales, como dióxido de carbono, berilio o grafito.

Refrigerantes del reactor

El refrigerante del reactor nuclear se utiliza para transportar el calor producido por la reacción de fisión a una caldera y una turbina externas, donde se transforma en electricidad. A menudo se utilizan dos bucles de refrigerante superpuestos; esto contrarresta la transferencia de radiactividad del reactor al bucle de refrigerante primario. Todas las centrales nucleares de los EE. UU. utilizan agua como refrigerante. Otros refrigerantes son el sodio fundido, el plomo, una mezcla de plomo y bismuto o las sales fundidas.

Varillas de control

Los reactores nucleares utilizan varillas de control (Figura 21.20) para controlar la tasa de fisión del combustible nuclear al ajustar el número de neutrones lentos presentes para mantener la tasa de la reacción en cadena en un nivel seguro. Las varillas de control están hechas de boro, cadmio, hafnio u otros elementos capaces de absorber neutrones. El boro-10, por ejemplo, absorbe neutrones mediante una reacción que produce litio-7 y partículas alfa:

510B+ 01n 37Li+ 2 4He510B+ 01n 37Li+ 2 4He

Cuando los conjuntos de varillas de control se insertan en el elemento de combustible del núcleo del reactor, absorben una mayor fracción de los neutrones lentos, con lo que se ralentiza el ritmo de la reacción de fisión y se reduce la potencia producida. Por el contrario, si se retiran las varillas de control, se absorben menos neutrones y aumentan la tasa de fisión y la producción de energía. En caso de emergencia, la reacción en cadena se corta al introducir completamente todas las varillas de control en el núcleo nuclear entre las varillas de combustible.

Se muestran dos diagramas marcados como "a" y "b". El diagrama a muestra una vista en corte de un tubo vertical con una placa plana y horizontal cerca de la parte inferior que se conecta a una serie de tubos verticales alineados uno al lado del otro y marcados como “varillas de combustible". Una segunda placa horizontal marcada como "rejilla" se encuentra en la parte superior de los tubos y un segundo conjunto de tubos verticales más finos, marcados como “varillas de control", conduce desde esta placa hasta la parte superior del contenedor. Las paredes del contenedor están marcadas como “recipiente de acero a presión". Una flecha azul, orientada hacia la derecha, parte de un punto de entrada en el lado izquierdo del contenedor y va seguida de una segunda flecha azul, orientada hacia abajo, y de una flecha curva, orientada hacia la derecha, que recorren el borde exterior e inferior del contenedor. Una flecha azul y roja sigue a estas y se dirige hacia el lado derecho del contenedor hasta una salida cerca de la cara derecha donde una flecha roja, orientada hacia la derecha, conduce hacia fuera. El diagrama b es una imagen recortada de un conjunto vertical, rectangular y tridimensional de tubos verticales. Los tubos están marcados como “varillas de combustible" y se insertan en una placa horizontal superior e inferior, marcada como "rejilla". Por encima de los tubos se extienden cuatro varillas finas que llevan la marcación "varillas de control".
Figura 21.20 El núcleo del reactor nuclear mostrado en (a) contiene el ensamblaje de varillas de combustible y varillas de control que se muestra en (b) (créditos: modificación del trabajo de E. Generalic, http://glossary.periodni.com/glossary.php?en=control+rod).

Sistema de blindaje y contención

Un reactor nuclear en funcionamiento genera neutrones y otras radiaciones. Incluso cuando está apagado, los productos de decaimiento son radiactivos. Además, un reactor en funcionamiento está térmicamente muy caliente, y las altas presiones resultan de la circulación de agua u otro refrigerante a través de este. Por lo tanto, el reactor deberá soportar altas temperaturas y presiones, así como proteger a los operarios de la radiación. Los reactores están equipados con un sistema de contención (o escudo) que consta de tres partes:

  1. El recipiente del reactor, una carcasa de acero de entre 3 y 20 centímetros de espesor que, junto con el moderador, absorbe gran parte de la radiación producida por el reactor.
  2. Un escudo principal de 1 a 3 metros de hormigón de alta densidad.
  3. Un escudo para el personal, hecho de un material más ligero, que protege a los operarios de los rayos γ, así como de los rayos X.

Además, los reactores suelen estar cubiertos por una cúpula de acero u hormigón, diseñada para contener cualquier material radiactivo que pueda liberarse por un accidente del reactor.

Las centrales nucleares están diseñadas de tal manera que no puedan formar ninguna masa supercrítica de material fisionable y, por ende, no puedan crear ninguna explosión nuclear. No obstante, como lo ha demostrado la historia, las fallas en los sistemas y las salvaguardias pueden provocar accidentes catastróficos, como explosiones químicas y fusiones nucleares (daños en el núcleo del reactor por recalentamiento). El siguiente artículo de “La química en la vida cotidiana” explora tres incidentes infames de fusión.

La química en la vida cotidiana

Accidentes nucleares

La importancia de la refrigeración y la contención se pone de manifiesto en los tres grandes accidentes ocurridos con los reactores de las centrales nucleares de los Estados Unidos (Three Mile Island), la antigua Unión Soviética (Chernóbil) y Japón (Fukushima).

En marzo de 1979, el sistema de refrigeración del reactor de la Unidad 2 de la central nuclear de Three Mile Island, en Pensilvania, falló y el agua de refrigeración se derramó del reactor al suelo del edificio de contención. Después de que las bombas se detuvieran, los reactores se recalentaron debido al elevado calor de decaimiento radiactivo producido en los primeros días después de la parada del reactor nuclear. La temperatura del núcleo subió hasta al menos 2200 °C, y la parte superior comenzó a derretirse. Además, el revestimiento de aleación de circonio de las varillas de combustible comenzó a reaccionar con el vapor y produjo hidrógeno:

Zr(s)+2H2O(g)ZrO2(s)+2H2(g)Zr(s)+2H2O(g)ZrO2(s)+2H2(g)

El hidrógeno se acumuló en el edificio de confinamiento y se temió que hubiera peligro de explosión de la mezcla de hidrógeno y aire en el edificio. En consecuencia, se expulsó del edificio gas hidrógeno y gases radiactivos (principalmente criptón y xenón). En una semana se restableció la circulación del agua de refrigeración y el núcleo comenzó a enfriarse. La planta estuvo cerrada durante casi 10 años durante el proceso de limpieza.

Aunque el vertido cero de material radiactivo es deseable, el vertido de criptón y xenón radiactivos, como ocurrió en la central de Three Mile Island, es uno de los más tolerables. Estos gases se dispersan fácilmente en la atmósfera y, por ende, no producen zonas altamente radiactivas. Además, son gases nobles y no se incorporan a la materia vegetal y animal en la cadena alimentaria. Efectivamente, ninguno de los elementos pesados del núcleo del reactor se liberó al medio ambiente, y no fue necesaria la limpieza de la zona fuera del edificio de contención (Figura 21.21).

Se muestran dos fotos, marcadas como "a" y "b". La foto a es una vista aérea de una central nuclear. La foto b muestra a un pequeño grupo de hombres caminando por una sala llena de aparatos electrónicos.
Figura 21.21 (a) En esta foto de 2010 de Three Mile Island, se ven a la izquierda las estructuras restantes del reactor dañado de la Unidad 2, mientras que el reactor separado de la Unidad 1, que no resultó afectado en el accidente, sigue generando energía hasta el día de hoy (derecha). (b) El presidente Jimmy Carter visitó la sala de control de la Unidad 2 unos días después del accidente en 1979.

Otro gran accidente nuclear en el que se vio implicado un reactor ocurrió en abril de 1986, en la central nuclear de Chernóbil, en Ucrania, que aún formaba parte de la antigua Unión Soviética. Mientras funcionaba a baja potencia durante un experimento no autorizado con algunos de sus dispositivos de seguridad apagados, uno de los reactores de la central se desestabilizó. La reacción en cadena se volvió incontrolable y aumentó hasta un nivel muy superior al que el reactor estaba diseñado. La presión del vapor en el reactor se elevó entre 100 y 500 veces la presión de plena potencia y rompió el reactor. Debido a que el reactor no estaba encerrado en un edificio de contención, se expulsó una gran cantidad de material radiactivo. Adicionalmente, se liberaron más productos de fisión, ya que el moderador de grafito (carbono) del núcleo se encendió y ardió. El incendio fue controlado, pero más de 200 trabajadores de la planta y bomberos experimentaron una enfermedad aguda por radiación y al menos 32 murieron pronto por los efectos de la radiación. Se prevé que se produzcan unas 4.000 muertes más entre los trabajadores de emergencias y los antiguos residentes de Chernóbil por cáncer y leucemia inducidos por la radiación. Desde entonces, el reactor ha sido encapsulado en acero y hormigón: una estructura ahora en ruinas, conocida como el sarcófago. Casi 30 años después, aún persisten importantes problemas de radiación en la zona, y Chernóbil sigue siendo en gran medida un terreno baldío.

En 2011, un terremoto de 9,0 grados de magnitud y el consiguiente tsunami dañaron ostensiblemente la central nuclear de Fukushima Daiichi, en Japón. Los tres reactores que estaban en funcionamiento en ese momento se apagaron automáticamente, y los generadores de emergencia entraron en funcionamiento para alimentar los sistemas electrónicos y de refrigeración. Sin embargo, el tsunami inundó rápidamente los generadores de emergencia y cortó la alimentación de las bombas que hacían circular el agua de refrigeración a través de los reactores. El vapor a alta temperatura de los reactores reaccionó con la aleación de circonio para producir gas hidrógeno. El gas se escapó al edificio de contención y la mezcla de hidrógeno y aire explotó. Se liberó material radiactivo de los recipientes de contención como resultado de la ventilación deliberada para reducir la presión del hidrógeno, la descarga deliberada de agua refrigerante en el mar y eventos accidentales o descontrolados.

Una zona de evacuación alrededor de la planta dañada se extendía a más de 12,4 millas de distancia, y se estima que 200.000 personas fueron evacuadas de la zona. Las 48 centrales nucleares de Japón se cerraron posteriormente, y permanecían cerradas en diciembre de 2014. Desde la catástrofe, la opinión pública ha pasado de estar mayoritariamente a favor a estar mayoritariamente en contra de aumentar el uso de las centrales nucleares, mientras que la reanudación del programa de energía atómica de Japón sigue estancada (Figura 21.22).

Se muestran una foto y un mapa, marcados como "a" y "b", respectivamente. La foto a muestra a un hombre con un traje de seguridad trabajando cerca de una serie de contenedores azules, recubiertos de plástico. El mapa b muestra una sección de tierra con el océano a cada lado. Cerca de la parte superior derecha del terreno hay un pequeño punto rojo, marcado como “mayor que, 12,5, m R barra invertida, h r", que está rodeado por una zona de color naranja que se extiende en la dirección superior izquierda marcada como “2,17-12,5, m R barra invertida, h r". El naranja está rodeado por un contorno de amarillo marcado como “1,19-2,17, m R barra invertida, h r" y un contorno más amplio de verde marcado como “0,25-1,19, m R barra invertida, h r". Una amplia zona de color azul claro, marcada como "0,03-0,25, m R barra invertida, h r" rodea la zona verde y se extiende hasta la parte media inferior del mapa. Una gran sección de la parte inferior central y de la izquierda del terreno está cubierta por el azul oscuro, marcado como "menos de 0,03, m R barra invertida, h r".
Figura 21.22 (a) Tras el accidente, hubo que retirar los residuos contaminados, y (b) se estableció una zona de evacuación alrededor de la central en las zonas que recibieron fuertes dosis de lluvia radiactiva (créditos a: modificación del trabajo de "Live Action Hero"/Flickr).

La energía que genera un reactor alimentado con uranio enriquecido es el resultado de la fisión del uranio, así como de la fisión del plutonio que se produce durante el funcionamiento del reactor. Como se ha comentado anteriormente, el plutonio se forma a partir de la combinación de neutrones y el uranio del combustible. En cualquier reactor nuclear, apenas el 0,1 % de la masa del combustible se convierte en energía. El otro 99,9 % permanece en las varillas de combustible como productos de fisión y combustible no utilizado. Todos los productos de fisión absorben neutrones y, tras un periodo que se prolonga desde varios meses hasta varios años, según el reactor, los productos de fisión deberán eliminarse al cambiar las varillas de combustible. De lo contrario, la concentración de estos productos de fisión aumentaría y absorbería más neutrones hasta que el reactor no pudiera seguir funcionando.

Las varillas de combustible gastadas contienen una variedad de productos, que consisten en núcleos inestables cuyo número atómico oscila entre 25 y 60, algunos elementos transuránicos, incluidos el plutonio y el americio, e isótopos de uranio sin reaccionar. Los núcleos inestables y los isótopos transuránicos confieren al combustible gastado un nivel de radiactividad peligrosamente alto. Los isótopos de larga vida necesitan miles de años para decaer hasta un nivel seguro. El destino final del reactor nuclear como fuente importante de energía en los Estados Unidos depende probablemente de que se pueda desarrollar una técnica política y científicamente satisfactoria para procesar y almacenar los elementos de las varillas de combustible gastado.

Fusión nuclear y reactores de fusión

El proceso de conversión de núcleos muy ligeros en núcleos más pesados también va acompañado de la conversión de masa en grandes cantidades de energía. Dicho proceso recibe el nombre de fusión. La principal fuente de energía del sol es una reacción de fusión neta en la que cuatro núcleos de hidrógeno se fusionan y producen un núcleo de helio y dos positrones. Se trata de una reacción neta de una serie de acontecimientos más complicados:

411 H 24 He+2 +10 e+411 H 24 He+2 +10 e+

Un núcleo de helio tiene una masa que es un 0,7 % menor que la de cuatro núcleos de hidrógeno; esta masa perdida se convierte en energía durante la fusión. Esta reacción produce alrededor de 3,6 ×× 1011 kJ de energía por mol de 24He24He producido. Esto es algo mayor que la energía producida por la fisión nuclear de un mol de U-235 (1,8 ×× 1010 kJ), y más de 3 millones de veces mayor que la energía producida por la combustión (química) de un mol de octano (5471 kJ).

Se ha determinado que los núcleos de los isótopos pesados del hidrógeno, un deuterón, 12H12H y un tritón, 13H,13H, se fusionan a temperaturas extremadamente altas (fusión termonuclear). Forman un núcleo de helio y un neutrón:

12H+ 13H24He+ 01n 12H+ 13H24He+ 01n

Este cambio procede con una pérdida de masa de 0,0188 u, que corresponde a la liberación de 1,69 ×× 109 kilojulios por mol de 24He24He formado. La altísima temperatura es necesaria para que los núcleos tengan la suficiente energía cinética para superar las fortísimas fuerzas de repulsión resultantes de las cargas positivas de sus núcleos y puedan colisionar.

Las reacciones de fusión útiles requieren temperaturas muy elevadas para su iniciación: unos 15.000.000 K o más. A estas temperaturas, todas las moléculas se disocian en átomos y estos se ionizan, formando el plasma. Estas condiciones se dan en un número extremadamente grande de lugares en todo el universo: las estrellas se alimentan de la fusión. Los seres humanos ya han descubierto cómo crear temperaturas lo suficientemente altas como para lograr la fusión a gran escala en las armas termonucleares. Un arma termonuclear, como una bomba de hidrógeno, contiene una bomba de fisión nuclear que, al explotar, desprende suficiente energía para producir las altísimas temperaturas necesarias para que se produzca la fusión.

Otra forma mucho más beneficiosa de crear reacciones de fusión es en un reactor de fusión, un reactor nuclear en el que se controlan las reacciones de fusión de núcleos ligeros. Dado que ningún material sólido es estable a tan altas temperaturas, los dispositivos mecánicos no pueden contener el plasma en el que se producen las reacciones de fusión. Dos técnicas para contener el plasma a la densidad y temperatura necesarias para una reacción de fusión son actualmente objeto de intensos esfuerzos de investigación: la contención mediante un campo magnético y el uso de rayos láser enfocados (Figura 21.23). Varios proyectos de gran envergadura trabajan para alcanzar uno de los mayores objetivos de la ciencia: conseguir que el combustible de hidrógeno se encienda y produzca más energía que la suministrada para alcanzar las altísimas temperaturas y presiones que se requieren para la fusión. Al momento de redactar este artículo, no hay reactores de fusión autosostenibles en funcionamiento en el mundo, aunque se han llevado a cabo reacciones de fusión controladas a pequeña escala durante periodos muy breves.

Se muestran dos fotos marcadas como "a" y "b". La foto a muestra una maqueta del reactor ITER, formada por componentes de colores. La foto b muestra un primer plano del extremo de un largo brazo mecánico, formado por muchos componentes metálicos.
Figura 21.23 (a) Este modelo es del reactor experimental termonuclear internacional (International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER). El ITER, que se construye en el sur de Francia y cuya finalización está prevista para 2027, será el mayor reactor experimental de fusión nuclear Tokamak en el mundo, con el objetivo de lograr una producción de energía sostenida a gran escala. (b) En 2012, la Planta Nacional de Ignición del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore produjo brevemente más de 500.000.000.000 de vatios (500 teravatios, o 500 TW) de potencia máxima y suministró 1.850.000 julios (1,85 MJ) de energía, la mayor energía láser jamás producida y 1.000 veces el uso de energía de todos los Estados Unidos en un momento dado. Aunque solo duran unas mil millonésimas de segundo, los 192 láseres alcanzaron las condiciones necesarias para la ignición de la fusión nuclear. Esta imagen muestra el objetivo antes del disparo láser (créditos a: modificación del trabajo de Stephan Mosel).
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