20.4 Transmutación y energía nuclear

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:

Los núcleos ${}_8^{17}\text{O}$ y ${}_1^1\text{H}$ 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 20.13). 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.

Figura 20.13 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:

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:

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 20.3.

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 20.3). 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 20.14 se observa una reacción de fisión nuclear.

Figura 20.14 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 20.15. Se han observado reacciones de fisión similares con otros isótopos del uranio, así como con una variedad de otros isótopos como los del plutonio.

Figura 20.15 (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 $\times$ 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 20.16). Por otro lado, si demasiados neutrones escapan del material en bruto sin interactuar con un núcleo, no se producirá ninguna reacción en cadena.

Figura 20.16 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 20.17).

Figura 20.17 (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 20.18) contiene varios kilos de material fisible, ${}_{92}^{235}\text{U}$ o ${}_{94}^{239}\text{Pu},$ 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.

Figura 20.18 (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 20.19). 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.

Figura 20.19 (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 20.17). 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 $({{}_1^2\text{H}}_2\text{O})$ 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 20.20) 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:

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.

Figura 20.20 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:

$$\text{Zr}(s)+{\text{2H}}_2\text{O}(g)⟶{\text{ZrO}}_2(s)+{\text{2H}}_2(g)$$

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 20.21).

Figura 20.21 (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 20.22).

Figura 20.22 (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:

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 $\times$ 10¹¹ kJ de energía por mol de ${}_2^4\text{He}$ producido. Esto es algo mayor que la energía producida por la fisión nuclear de un mol de U-235 (1,8 $\times$ 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, ${}_1^2\text{H}$ y un tritón, ${}_1^3\text{H},$ se fusionan a temperaturas extremadamente altas (fusión termonuclear). Forman un núcleo de helio y un neutrón:

Este cambio procede con una pérdida de masa de 0,0188 u, que corresponde a la liberación de 1,69 $\times$ 10⁹ kilojulios por mol de ${}_2^4\text{He}$ 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 20.23). 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.

Figura 20.23 (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).