Monografias | Energía NuclearEnergía NuclearResumen: Introducción. Energía. Energía nuclear. Interacción de la radiación ionizante con la materia. Reactores nucleares. Usos pacíficos de la energía nuclear. Areas de investigación en Venezuela. Conclusiones. Glosario. Bibliografía. INDICE CONCLUSIONES GLOSARIO BIBLIOGRAFIA La energía
es la capacidad que poseen los cuerpos para producir Trabajo, es decir la
cantidad de energía que contienen los cuerpos se mide por el trabajo que son
capaces de realizar La energía
nuclear es aquella que se libera como resultado de una reacción nuclear. Se
puede obtener por el proceso de Fisión Nuclear (división de núcleos atómicos
pesados) o bien por Fusión Nuclear (unión de núcleos atómicos muy livianos).
En las reacciones nucleares se libera una gran cantidad de energía debido a que
parte de la masa de las partículas involucradas en el proceso, se transforma
directamente en energía. Lo anterior se puede explicar basándose en la relación
Masa-Energía producto de la genialidad del gran físico Albert Einstein. Para
conocer que es la energía nuclear primero debemos conocer que es, como se
transforma, y obtiene la energía, y los diferentes tipos de energía. De igual
forma se debe tener un conocimiento claro de los conceptos básicos utilizados
en la física nuclear. Los
primeros pasos que dio el hombre para la obtención y transformación de esta
clase de energía, data de los años 1930-1945, cuando se obtuvo en forma
artificial y controlada esta forma de energía, para la construcción de la
primera bomba atómica. Desde entonces se han realizado adelantos he
investigaciones en este campo para su aplicación para el beneficio de la
humanidad.
La Energía
es un concepto esencial de las ciencias. Desde un punto de vista material
complejo de definir. La más básica de sus definiciones indica que se trata de
la capacidad que poseen los cuerpos para producir Trabajo, es decir la cantidad
de energía que contienen los cuerpos se mide por el trabajo que son capaces de
realizar. La
realidad del mundo físico demuestra que la energía, siendo única, puede
presentarse bajo diversas Formas capaces de Transformarse unas a otras. Algunas
formas básicas de energía son: Por
ejemplo, aquella que poseen los cuerpos en movimiento, o bien la interacción
gravitatoria entre la Tierra y la Luna. Generada
por Campos Electrostáticos, Campos Magnéticos o bien por Corrientes Eléctricas. Energía
interna de los cuerpos que se manifiesta externamente en forma de Calor. Energía
que poseen los compuestos. Se pone de manifiesto por el proceso de conversión
generado en una reacción química. Es la
generada por los organismos vivos gracias a procesos químicos de oxidación
como producto de los alimentos que ingieren. Las
fuentes de energía se pueden clasificar en: Las
energías renovables son aquellas que llegan en forma contínua a la Tierra y
que a escalas de tiempo real parecen ser inagotables. Son
fuentes de energía renovable: Es
aquella energía obtenida principalmente de las corrientes de agua de los ríos.
El agua de un río se almacena en grandes embalses artificiales que se ubican a
gran altura respecto de un nivel de referencia. El agua adquiere una importante
cantidad de energía potencial (aquella que poseen los cuerpos que se encuentran
a cierta altura respecto de un nivel de referencia). Posteriormente, el agua se
deja caer por medio de ductos hasta el nivel de referencia, por lo tanto toda su
energía potencial se forma en energía cinética (aquella que posee un cuerpo
gracias a su estado de movimiento). La energía cinética de las caídas de agua
se aprovecha, por ejemplo, para mover turbinas generadoras de electricidad, tal
es el principio de las Centrales Hidroeléctricas.
Es
la energía que llega a la Tierra proveniente de la estrella más cercana a
nuestro planeta: El Sol. Esta energía abarca un amplio espectro de Radiación
Electromagnética, donde la luz solar es la parte visible de tal espectro. La
energía solar es generada por la llamada Fusión Nuclear que es la fuente de
vida de todas las estrellas del Universo. El
hombre puede transformar la energía solar en energía térmica o eléctrica. En
el primer caso la energía solar es aprovechada para elevar la temperatura de un
fluido, como por ejemplo el agua, y en el segundo caso la energía luminosa del
sol transportada por sus fotones de luz incide sobre la superficie de un
material semiconductor (ej.: el silicio), produciendo el movimiento de ciertos
electrones que componen la estructura atómica del material. Un movimiento de
electrones produce una corriente eléctrica que se puede utilizar como fuente de
energía de componentes eléctricos o bien electrónicos. Es el caso del
principio de funcionamiento de las calculadoras solares. Esta
energía es producida por los vientos generados en la atmósfera terrestre. Se
puede transformar en energía eléctrica mediante el uso de turbinas eólicas
que basan su funcionamiento en el giro de aspas movidas por los vientos. Bajo el
mismo principio se puede utilizar como mecanismo de extracción de aguas subterráneas
o de ciertos tipos de molinos para la agricultura. Al
igual que la energía solar se trata de un tipo de energía limpia, la cual sin
embargo presenta dificultades, pues no existen en la naturaleza flujos de aire
constantes en el tiempo, más bien son dispersos e intermitentes. Este
tipo de energía puede ser de gran utilidad en regiones aisladas y de difícil
acceso y que tienen necesidades de energía eléctrica, y cuyos vientos son
apreciables en el transcurso del año.
Esta
energía se obtiene de ciertos compuestos orgánicos que se han producido en el
tiempo por procesos naturales, es decir, producto de transformaciones químicas
y biológicas sobre algunas especies vegetales o bien sobre ciertos materiales.
Un ejemplo de tal proceso lo constituyen los residuos forestales, los residuos
de la agricultura y los residuos domésticos. Estos residuos se transforman con
posterioridad en combustibles. En el caso de los residuos domésticos es
necesario como paso previo a la obtención de energía, un plan amplio para la
adecuada clasificación de las basuras y su posterior reciclaje.
Es la
energía obtenida del movimiento de las mareas y las olas del mar. El Movimiento
de mareas es generado por la interacción gravitatoria entre la Tierra y la
Luna. Tal movimiento se utiliza para traspasar energía cinética a generadores
de electricidad. La gran
dificultad para la obtención de este tipo de energía es por una parte su alto
costo y el establecimiento de un lugar apto geográficamente para confinar
grandes masas de agua en recintos naturales. Son
fuentes de energía no renovables aquellas que se encuentran en forma limitada
en nuestro planeta y se agotan a medida que se les consume. Son
fuentes de energía no renovables: Es un
combustible fósil, formado por la acumulación de vegetales durante el Periodo
Carbonífero de la era Primaria de nuestro planeta. Estos vegetales a lo largo
del tiempo han sufrido el encierro en el subsuelo terrestre, experimentando
cambios de presión y temperatura lo que ha posibilitado la acción de
reacciones químicas que los han transformado en variados tipos de carbón
mineral. Es un
aceite natural de origen mineral constituido por una mezcla de hidrocarburos.
Estos hidrocarburos se producen por antiguos restos de organismos vegetales,
organismos acuáticos y organismos vivos depositados en las profundidades de la
corteza terrestre en forma de sedimentos. Es una
mezcla de gases combustibles depositados en forma natural en el subsuelo de la
Tierra y que poseen un gran poder calorífico. En ocasiones los yacimientos de
gas natural se encuentran acompañados por yacimientos de petróleo. El
principal componente del gas natural es el metano y en menor proporción los
gases de etano, propano y butano. Energía
contenida también en el interior de la Tierra en forma de gases. Al ser extraída
se presenta en forma de gases de alta temperatura (fumarolas), en forma de vapor
y agua hirviendo (geyser) y en forma de agua caliente (fuentes termales). La energía
nuclear es aquella que se libera como resultado de una reacción nuclear. Se
puede obtener por el proceso de Fisión Nuclear (división de núcleos atómicos
pesados) o bien por Fusión Nuclear (unión de núcleos atómicos muy livianos).
En las reacciones nucleares se libera una gran cantidad de energía debido a que
parte de la masa de las partículas involucradas en el proceso, se transforma
directamente en energía. Lo anterior se puede explicar basándose en la relación
Masa-Energía producto de la genialidad del gran físico Albert Einstein. Con
relación a la liberación de energía, una reacción nuclear es un millar de
veces más energética que una reacción química, por ejemplo la generada por
la combustión del combustible fósil del metano. ELEMENTOS
DE FISICA NUCLEAR Cinco
siglos antes de Cristo, los filósofos griegos se preguntaban si la materia podía
ser dividida indefinidamente o si llegaría a un punto que tales partículas
fueran indivisibles. Es así, como Demócrito formula la teoría de que la
materia se compone de partículas indivisibles, a las que llamó átomos (del
griego átomos, indivisible). En 1803
el químico inglés John Dalton propone una nueva teoría sobre la constitución
de la materia. Según Dalton toda la materia se podía dividir en dos grandes
grupos: los elementos y los compuestos. Los elementos estarían constituidos por
unidades fundamentales, que en honor a Demócrito, Dalton denominó átomos. Los
compuestos se constituirían de moléculas, cuya estructura viene dada por la
unión de átomos en proporciones definidas y constantes. La teoría de Dalton
seguía considerando el hecho de que los átomos eran partículas indivisibles. Hacia
finales del siglo XIX, se descubrió que los átomos no son indivisibles, pues
se componen de varios tipos de partículas elementales. La primera en ser
descubierta fue el electrón en el año 1897 por el investigador Sir Joseph
Thomson, quién recibió el Premio Nobel de Física en 1906. Posteriormente,
Hantaro Nagaoka (1865-1950) durante sus trabajos realizados en Tokio, propone su
teoría según la cual los electrones girarían en órbitas alrededor de un
cuerpo central cargado positivamente, al igual que los planetas alrededor del
Sol. Hoy día sabemos que la carga positiva del átomo se concentra en un denso
núcleo muy pequeño, en cuyo alrededor giran los electrones. El núcleo
del átomo se descubre gracias a los trabajos realizados en la Universidad de
Manchester, bajo la dirección de Ernest Rutherford entre los años 1909 a 1911.
El experimento utilizado consistía en dirigir un haz de partículas de cierta
energía contra una plancha metálica delgada, de las probabilidades que tal
barrera desviara la trayectoria de las partículas, se dedujo la distribución
de la carga eléctrica al interior de los átomos. La
descripción básica de la constitución atómica, reconoce la existencia de
partículas con carga eléctrica negativa, llamados electrones, los cuales giran
en diversas órbitas (niveles de energía) alrededor de un núcleo central con
carga eléctrica positiva. El átomo en su conjunto y sin la presencia de
perturbaciones externas es eléctricamente neutro. El núcleo
lo componen los protones con carga eléctrica positiva, y los neutrones que no
poseen carga eléctrica. El tamaño
de los núcleos atómicos para los diversos elementos están comprendidos entre
una cienmilésima y una diezmilésima del tamaño del átomo. La
cantidad de protones y de electrones presentes en cada átomo es la misma. Esta
cantidad recibe el nombre de número atómico, y se designa por la letra
"Z". A la cantidad total de protones más neutrones presentes en un núcleo
atómico se le llama número másico y se designa por la letra "A". Si
designamos por "X" a un elemento químico cualquiera, su número atómico
y másico se representa por la siguiente simbología: ZXA Por
ejemplo, para el Hidrogeno tenemos: 1H1. Si bien,
todas las características anteriores de la constitución atómica, hoy en día
son bastante conocidas y aceptadas, a través de la historia han surgido
diversos modelos que han intentado dar respuesta sobre la estructura del átomo.
Algunos de tales modelos son los siguientes: Thomson
sugiere un modelo atómico que tomaba en cuenta la existencia del electrón,
descubierto por él en 1897. Su modelo era estático, pues suponía que los
electrones estaban en reposo dentro del átomo y que el conjunto era eléctricamente
neutro. Con este modelo se podían explicar una gran cantidad de fenómenos atómicos
conocidos hasta la fecha. Posteriormente, el descubrimiento de nuevas partículas
y los experimentos llevado a cabo por Rutherford demostraron la inexactitud de
tales ideas. Basado
en los resultados de su trabajo que demostró la existencia del núcleo atómico,
Rutherford sostiene que casi la totalidad de la masa del átomo se concentra en
un núcleo central muy diminuto de carga eléctrica positiva. Los electrones
giran alrededor del núcleo describiendo órbitas circulares. Estos poseen una
masa muy ínfima y tienen carga eléctrica negativa. La carga eléctrica del núcleo
y de los electrones se neutralizan entre sí, provocando que el átomo sea eléctricamente
neutro. El
modelo de Rutherford tuvo que ser abandonado, pues el movimiento de los
electrones suponía una pérdida continua de energía, por lo tanto, el electrón
terminaría describiendo órbitas en espiral, precipitándose finalmente hacia
el núcleo. Sin embargo, este modelo sirvió de base para el modelo propuesto
por su discípulo Neils Bohr, marcando el inicio del estudio del núcleo atómico,
por lo que a Rutherford se le conoce como el padre de la era nuclear. El
físico danés Niels Bohr (Premio Nobel de Física 1922), postula que los
electrones giran a grandes velocidades alrededor del núcleo atómico. Los
electrones se disponen en diversas órbitas circulares, las cuales determinan
diferentes niveles de energía. El electrón puede acceder a un nivel de energía
superior, para lo cual necesita "absorber" energía. Para volver a su
nivel de energía original es necesario que el electrón emita la energía
absorbida (por ejemplo en forma de radiación). Este modelo, si bien se ha
perfeccionado con el tiempo, ha servido de base a la moderna física nuclear. Se
inicia con los estudios del físico francés Luis De Broglie, quién recibió el
Premio Nobel de Física en 1929. Según De Broglie, una partícula con cierta
cantidad de movimiento se comporta como una onda. En tal sentido, el electrón
tiene un comportamiento dual de onda y corpúsculo, pues tiene masa y se mueve a
velocidades elevadas. Al comportarse el electrón como una onda, es difícil
conocer en forma simultánea su posición exacta y su velocidad, por lo tanto, sólo
existe la probabilidad de encontrar un electrón en cierto momento y en una región
dada en el átomo, denominando a tales regiones como niveles de energía. La
idea principal del postulado se conoce con el nombre de Principio de
Incertidumbre de Heisenberg. En
Febrero de 1896, el físico francés Henri Becquerel investigando con cuerpos
fluorescentes (entre ellos el Sulfato de Uranio y el Potasio), halló una nueva
propiedad de la materia a la que posteriormente Marie Curie llamó
"Radiactividad". Se descubre que ciertos elementos tenían la
propiedad de emitir radiaciones semejantes a los rayos X en forma espontánea.
Tal radiación era penetrante y provenía del cristal de Uranio sobre el cual se
investigaba. Marie
y Pierre Curie al proseguir los estudios encontraron fuentes de radiación
natural bastante más poderosas que el Uranio original, entre estos el Polonio y
el Radio. La
radiactividad del elemento no dependía de la naturaleza física o química de
los átomos que lo componen, sino que era una propiedad radicada en el interior
mismo del átomo. Hoy
en día se conocen más de 40 elementos radiactivos naturales, que corresponden
a los elementos más pesados. Por arriba del número atómico 83, todos los núcleos
naturales son radiactivos. Desintegraciones
Alfa, Beta, Gamma. La
radiactividad es un fenómeno que se origina exclusivamente en el núcleo de los
átomos radiactivos. La causa que los origina probablemente se debe a la variación
en la cantidad de partículas que se encuentran en el núcleo. Cuando
el núcleo atómico es inestable a causa del gran número de protones que posee
(ocurre en los elementos más pesados, es decir con Z = 83 o superior), la
estabilidad es alcanzada, con frecuencia, emitiendo una partícula alfa, es
decir, un núcleo de Helio (2He4) formado por dos protones
y dos neutrones. Cuando
la relación de neutrones/protones en un núcleo atómico es elevada, el núcleo
se estabiliza emitiendo un neutrón, o bien como ocurre con frecuencia,
emitiendo una partícula beta, es decir, un electrón. Cuando
la relación de neutrones/protones es muy pequeña, debe ocurrir una disminución
en el número de protones o aumentar el número de neutrones para lograr la
estabilidad del núcleo. Esto ocurre con la emisión de un electrón positivo o
positrón, o bien absorbiendo el núcleo un electrón orbital. Los
rayos gamma son ondas electromagnéticas de gran energía, muy parecidos a los
rayos X, y en ciertas ocasiones se presentan cuando ocurre una desintegración
de partículas beta, o bien una emisión de positrones. Por lo tanto, la radiación
gamma no posee carga eléctrica y su naturaleza ondulatoria permite describir su
energía en relación a su frecuencia de emisión. Al
bombardear diversos núcleos atómicos con partículas alfa de gran energía, se
pueden transformar en un núcleo diferente, por lo tanto, se transforma en un
elemento que no existe en la naturaleza. Los esposos Irene Curie y Frédéric
Joliot, experimentando con tales procesos descubren la radiactividad artificial,
pues se percatan que al bombardear ciertos núcleos con partículas procedentes
de fuentes radiactivas estos se vuelven radiactivos. Si la energía de las partículas
es adecuada, entonces puede penetrar en el núcleo generando su inestabilidad y
por ende, induciendo su desintegración radiactiva. Desde el
descubrimiento de los primeros elementos radiactivos artificiales, el hombre ha
logrado en el tiempo obtener una gran cantidad de ellos. Es clave en este
proceso la aparición de los llamados aceleradores de partículas y de los
reactores nucleares. Estos últimos son fuente importante de neutrones que son
utilizados para producir gran variedad de radioisótopos. Son
radiaciones con energía necesaria para arrancar electrones de los átomos.
Cuando un átomo queda con un exceso de carga eléctrica, ya sea positiva o
negativa, se dice que se ha convertido en un ión (positivo o negativo). Son
radiaciones ionizantes los rayos X, las radiaciones alfa, beta, gamma y la emisión
de neutrones. La
radiación cósmica (proveniente del Sol y del espacio interestelar) también es
un tipo de radiación ionizante, pues está compuesta por radiaciones
electromagnéticas y por partículas con gran cantidad de energía. Es así
como, los llamados rayos cósmicos blandos, se componen principalmente de rayos
gamma, electrones o positrones, y la radiación cósmica primaria (que llega a
las capas más altas de la atmósfera) se compone fundamentalmente de protones.
Cuando la radiación cósmica interactúa con la atmósfera de la Tierra, se
forman en ella átomos radiactivos (como el Tritio y el Carbono-14) y se
producen partículas alfa, neutrones o protones. Las
radiaciones ionizantes pueden provocar reacciones y cambios químicos con el
material con el cual interaccionan. Por ejemplo, son capaces de romper los
enlaces químicos de las moléculas o generar cambios genéticos en células
reproductoras. Son
aquellas que no son capaces de producir iones al interactuar con los átomos de
un material. Las
radiaciones no ionizantes se pueden clasificar en dos grandes grupos: los campos
electromagnéticos y las radiaciones ópticas. Dentro
de los campos electromagnéticos se pueden distinguir aquellos generados por las
líneas de corriente eléctrica o por campos eléctricos estáticos. Otros
ejemplos son las ondas de radiofrecuencia, utilizadas por las emisoras de radio
en sus transmisiones, y las microondas utilizadas en electrodomésticos y en el
área de las telecomunicaciones. Entre
las radiaciones ópticas se pueden mencionar los rayos láser, los rayos
infrarrojos, la luz visible y la radiación ultravioleta. Estas radiaciones
pueden provocar calor y ciertos efectos fotoquímicos al actuar sobre el cuerpo
humano.
Es una
reacción nuclear que tiene lugar por la rotura de un núcleo pesado al ser
bombardeado por neutrones de cierta velocidad. A raíz de esta división el núcleo
se separa en dos fragmentos acompañado de una emisión de radiación, liberación
de 2 ó 3 nuevos neutrones y de una gran cantidad de energía (200 MeV) que se
transforma finalmente en calor. Los
neutrones que escapan de la fisión, al bajar su energía cinética, se
encuentran en condiciones de fisionar otros núcleos pesados, produciendo una
Reacción Nuclear en Cadena. Cabe señalar, que los núcleos atómicos
utilizados son de Uranio - 235. El
proceso de la fisión permite el funcionamiento de los Reactores Nucleares que
actualmente operan en el mundo. La fusión
nuclear ocurre cuando dos núcleos atómicos muy livianos se unen, formando un núcleo
atómico más pesado con mayor estabilidad. Estas reacciones liberan energías
tan elevadas que en la actualidad se estudian formas adecuadas para mantener la
estabilidad y confinamiento de las reacciones. La energía
necesaria para lograr la unión de los núcleos se puede obtener utilizando
energía térmica o bien utilizando aceleradores de partículas. Ambos métodos
buscan que la velocidad de las partículas aumente para así vencer las fuerzas
de repulsión electrostáticas generadas al momento de la colisión necesaria
para la fusión. Para
obtener núcleos de átomos aislados, es decir, separados de su envoltura de
electrones, se utilizan gases sobrecalentados que constituyen el denominado
Plasma Físico. Este proceso es propio del Sol y las estrellas, pues se tratan
de gigantescas estructuras de mezclas de gases calientes atrapadas por las
fuerzas de gravedad estelar. El
confinamiento de las partículas se logra utilizando un "Confinamiento Magnético",
o bien un "Confinamiento Inercial". El Confinamiento Magnético
aprovecha el hecho que el plasma está compuesto por partículas (núcleos) con
carga eléctrica. Se sabe que si una de estas partículas interactúa con un
Campo Magnético su trayectoria y velocidad cambian, quedando atrapadas por
dicho Campo. El Confinamiento Inercial permite comprimir el plasma hasta obtener
densidades de 200 a 1000 veces mayor que la de sólidos y líquidos. Cuando se
logra la compresión deseada se eleva la temperatura del elemento, lo que
facilita aún más el proceso de la fusión. La fusión
nuclear se puede representar por el siguiente esquema y relación de equilibrio: 2H
+ 2H 3He + 1n+ 3,2 MeV
El
efecto inmediato de las radiaciones ionizantes al interactuar con la materia es
la ionización, es decir la creación de iones positivos o negativos. Otro
efecto que genera la radiación ionizante es conocido con el nombre de
"excitación del átomo". La excitación ocurre cuando un electrón
salta a una órbita o nivel de energía superior, para después volver a su órbita
original, emitiendo energía en el transcurso del proceso. La
partícula alfa se compone de 2 protones y 2 neutrones. Su poder de penetración
en la materia es muy bajo y sólo es capaz de recorrer algunos centímetros en
el aire. Su corto recorrido describe una trayectoria prácticamente en línea
recta. Cuando penetra la materia presenta un alto poder de ionización, formando
verdaderas columnas de iones ( cuando penetra en un centímetro de aire puede
producir hasta 30.000 pares de iones).
La
masa de las partículas beta (electrones negativos) es muy pequeña, por lo
tanto, su movilidad es mayor respecto de las partículas alfa. Durante su
recorrido cambia fácilmente de trayectoria y su alcance y poder de penetración
es mayor. Además, su poder de ionización es inferior, respecto de la partícula
alfa. Si
una partícula beta se acerca a un núcleo atómico, desvía su trayectoria y
pierde parte de su energía (se "frena"). La energía que ha perdido
se transforma en rayos X. Este proceso recibe el nombre de "Radiación de
Frenado". Otra
interesante reacción ocurre cuando una partícula beta colisiona con un positrón
(electrón positivo). En este proceso, ambas partículas se aniquilan y
desaparecen, liberando energía en forma de rayos gamma.
Las
radiaciones gamma carecen de carga eléctrica, por lo tanto, no sufren
desviaciones en su trayectoria como producto de la acción de campos eléctricos
de núcleos atómicos o electrones. Tales características permiten que la
radiación gamma sea capaz de traspasar grandes espesores de material y de
ionizar indirectamente las sustancias que encuentra en su recorrido. Un
rayo gamma es capaz de sacar un electrón de su órbita atómica. El electrón
arrancado producirá ionización en nuevos átomos circundantes, lo que volverá
a suceder hasta que se agote toda la energía de la radiación gamma incidente. Los
neutrones también carecen de carga eléctrica y no sufren la acción de campos
eléctricos ni magnéticos. Al igual que la radiación gamma son capaces de
atravesar grandes espesores de material. Cuando
un neutrón choca con un átomo le cede parte de su energía mediante la acción
de choques elásticos (la energía total del sistema se mantiene constante) e
inelásticos (la energía total del sistema no se conserva). Como producto de
los sucesivos choques el neutrón pierde velocidad en forma gradual, hasta
alcanzar una magnitud de 2.200 metros/segundo. A estos neutrones se les denomina
"Neutrones Térmicos". Si un
neutrón colisiona con un núcleo atómico y sus masas son muy parecidas,
entonces el neutrón pierde una gran cantidad de energía. Mayor será la pérdida
de energía mientras más se asemejen sus masas. Por lo tanto, los choques que
aseguran gran pérdida de energía ocurren con los núcleos de los átomos de
Hidrógeno. El proceso por el cual los neutrones reducen su velocidad en forma
gradual recibe el nombre de "Termalización" o "Moderación de
Neutrones". Los
neutrones térmicos se pueden desintegrar, formando un protón y un electrón, o
bien pueden ser absorbidos por los núcleos de los átomos circundantes, dando
lugar a reacciones nucleares, como por ejemplo la fisión nuclear
Es
una instalación física donde se produce, mantiene y controla una reacción
nuclear en cadena. Por lo tanto, en un reactor nuclear se utiliza un combustible
adecuado que permita asegurar la normal producción de energía generada por las
sucesivas fisiones. Algunos reactores pueden disipar el calor obtenido de las
fisiones, otros sin embargo utilizan el calor para producir energía eléctrica. El
primer reactor construido en el mundo fue operado en 1942, en dependencias de la
Universidad de Chicago (USA), bajo la atenta dirección del famoso investigador
Enrico Fermi. De ahí el nombre de "Pila de Fermi", como
posteriormente se denominó a este reactor. Su estructura y composición eran básicas
si se le compara con los reactores actuales existentes en el mundo, basando su
confinamiento y seguridad en sólidas paredes de ladrillos de grafito.
1. Núcleo
2. Barras de control 3. Generador de vapor 4.
Presionador 5. Vasija 6. Turbina 7.
Alternador 8. Condensador 9. Agua de refrigeración 10. Agua
de refrigeración 11. Contención de hormigón Material
fisionable utilizado en cantidades específicas y dispuesto en forma tal, que
permite extraer con rapidez y facilidad la energía generada. El combustible en
un reactor se encuentra en forma sólida, siendo el más utilizado el Uranio
bajo su forma isotópica de U-235. Sin embargo, hay elementos igualmente
fisionables, como por ejemplo el Plutonio que es un subproducto de la fisión
del Uranio. En la
naturaleza existe poca cantidad de Uranio fisionable, es alrededor del 0,7%, por
lo que en la mayoría de los reactores se emplea combustible
"enriquecido", es decir, combustible donde se aumenta la cantidad de
Uranio 235. Son el
lugar físico donde se confina el Combustible Nuclear. Algunas Barras de
Combustible contienen el Uranio mezclado en Aluminio bajo la forma de laminas
planas separadas por una cierta distancia que permite la circulación de fluido
para disipar el calor generado. Las laminas se ubican en una especie de caja que
les sirve de soporte. Esta
constituido por las Barras de Combustible. El núcleo posee una forma geométrica
que le es característica, refrigerado por un fluido, generalmente agua. En
algunos reactores el núcleo se ubica en el interior de una piscina con agua a
unos 10 a 12 metros de profundidad, o bien al interior de una vasija de presión
construida en acero. Todo
reactor posee un sistema que permite iniciar o detener las fisiones nucleares en
cadena. Este sistema lo constituyen las Barras de Control, capaces de capturar
los neutrones que se encuentran en el medio circundante. La captura neutrónica
evita que se produzcan nuevas fisiones de núcleos atómicos del Uranio.
Generalmente las Barras de Control se fabrican de Cadmio o Boro. Los
neutrones obtenidos de la fisión nuclear emergen con velocidades muy altas
(neutrones rápidos). Para asegurar continuidad de la reacción en cadena, es
decir, procurar que los "nuevos neutrones" sigan colisionando con los
núcleos atómicos del combustible, es necesario disminuir la velocidad de estas
partículas (neutrones lentos). Se disminuye la energía cinética de los
neutrones rápidos mediante choques con átomos de otro material adecuado,
llamado Moderador. Se utiliza como Moderador el agua natural (agua ligera), el
agua pesada, el Carbono (grafito), etc.. El calor
generado por las fisiones se debe extraer del núcleo del reactor. Para lograr
este proceso se utilizan fluidos en los cuales se sumerge el núcleo. El fluido
no debe ser corrosivo, debe poseer gran poder de absorción calorífico y tener
pocas impurezas. Se puede utilizar de refrigerante el agua ligera, el agua
pesada, el anhídrido carbónico, etc.. En un
reactor se produce gran cantidad de todo tipo de Radiaciones, las cuales se
distribuyen en todas direcciones. Para evitar que los operarios del reactor y el
medio externo sean sometidos indebidamente a tales radiaciones, se utiliza un
adecuado "Blindaje Biológico" que rodea al reactor. Los materiales más
usados en la construcción de blindajes para un reactor son el agua, el plomo y
el hormigón de alta densidad, cuyo espesor es superior a los 1,5 metros. Existen
dos tipos de reactores: Utilizan
los neutrones generados en la fisión para producir radioisótopos o bien para
realizar diversos estudios en materiales. Estos
reactores utilizan el calor generado en la fisión para producir energía eléctrica,
desalinización de agua de mar, calefacción, o bien para sistemas de propulsión. Hay dos
tipos de reactores de potencia de mayor uso en el mundo: el Reactor de Agua en
Ebullición y el Reactor de Agua a Presión: Ha sido
desarrollado principalmente en Estados Unidos, Suecia y Alemania. Utiliza agua
natural purificada como moderador y refrigerante. Como combustible dispone de
Uranio-238 enriquecido con Uranio-235, el cual como se sabe, facilita la
generación de fisiones nucleares.
3.
Cambiador de calor (generador de vapor) 4. Presionador 5.
Vasija. 6. Turbina. 7. Alternador. 8.
Bomba. 9. Condensador. 10. Agua
de refrigeración. 11. Transformador. 12.
Recinto de contención de hormigón armado. 13.
Contención primaria de acero. Es
ampliamente utilizado en Estados Unidos, Alemania, Francia y Japón. El
refrigerante es agua a gran presión. El moderador puede ser agua o bien
grafito. Su combustible también es Uranio-238 enriquecido con Uranio-235. El
reactor se basa en el principio de que el agua sometida a grandes presiones
puede evaporarse sin llegar al punto de ebullición, es decir a temperaturas
mayores de 100 °C. El vapor se produce a unos 600 °C, el cual pasa a un
intercambiador de calor donde es enfriado y condensado para volver en forma líquida
al reactor. En el intercambio hay traspaso de calor a un circuito secundario de
agua. El agua del circuito secundario, producto del calor, produce vapor, que se
introduce en una turbina que acciona un generador eléctrico.
1. Núcleo
del reactor. 2. Barras de control 4.
Presionador 5. Vasija 6. Turbina. 7.
Alternador. 8. Bomba 9. Condesador 10. Agua
de refrigeración. 11. Transformador. 12.
Recinto de contención de hormigón armado. Existen
otros criterios para clasificar diversos tipos de reactores: Básicamente
está constituido por las barras de control y por diversa instrumentación de
monitoreo. Las barras de control son accionadas por una serie de sistemas mecánicos,
eléctricos u electrónicos, de tal manera de asegurar con rapidez la extinción
de las reacciones nucleares. La
instrumentación de monitoreo se ubica en el interior o en el exterior del núcleo
del reactor y su finalidad es mantener constante vigilancia de aquellos parámetros
necesarios para la seguridad: presión, temperatura, nivel de radiación, etc.. Constituido
por una serie de barreras múltiples que impiden el escape de la radiación y de
los productos radiactivos. La primera barrera, en cierto tipo de reactores, es
un material cerámico que recubre el Uranio utilizado como elemento combustible.
La segunda barrera es la estructura que contiene al Uranio, es decir, se trata
de las barras de combustible. La
tercera barrera es la vasija que contiene el núcleo del reactor. En los
reactores de potencia se denomina vasija de presión y se construye de un acero
especial con un revestimiento interior de acero inoxidable. La
cuarta barrera la constituye el edificio que alberga al reactor en su conjunto.
Se conoce con el nombre de "Edificio de Contención" y se construye de
hormigón armado de, a lo menos, 90 cm de espesor. Se utiliza para prevenir
posibles escapes de productos radiactivos al exterior, resistir fuertes impactos
internos o externos, soportar grandes variaciones de presión y mantener una
ligera depresión en su interior que asegure una entrada constante de aire desde
el exterior, de tal forma de evitar cualquier escape de material activado. Toda
central nuclear se diseña y construye bajo el concepto de Seguridad a Ultranza,
es decir, se privilegia ante todo la seguridad de toda instalación. Se busca
reducir al mínimo posible toda exposición a las radiaciones, no sólo en caso
de accidente, sino durante las operaciones normales de su personal.
En esta
etapa se extrae el mineral y se separa el Uranio que contiene. Posteriormente se
eliminan las impurezas que aún contiene el mineral de Uranio obtenido en el
proceso de separación inicial. La concentración del mineral consiste en
utilizar procesos físico-químicos para aumentar los contenidos de Uranio a
valores superiores al 70%. En todo el proceso se utiliza Uranio natural cuya
composición isótopica es de aproximadamente: 99% de Uranio-238, 0,7% de
Uranio-235 y 0,006% de Uranio-234. El
Uranio concentrado se purifica por medio de sucesivos tratamientos en
disoluciones y precipitaciones hasta que se convierte en un elemento llamado
Hexafloruro de Uranio. Posteriormente el Hexafloruro de Uranio se enriquece, es
decir, se aumenta la proporción de átomos de Uranio-235 con respecto al
Uranio-238. Para ello se realiza una separación selectiva a nivel atómico,
utilizando procesos de difusión gaseosa, ultracentrifugación, procesos aerodinámicos,
intercambio químico o métodos de separación por láser. El
Uranio enriquecido se somete a presión y altas temperaturas para transformarlo
en pequeños cuerpos cerámicos. Las pastillas cerámicas se colocan en el
interior de unas varillas rellenadas con un gas inerte. Las varillas se apilan
en un tubo fabricado de una aleación de circonio, dando forma al llamado
Elemento Combustible. Los
Elementos Combustibles se introducen en el interior del reactor y forman parte
del núcleo del mismo. El Uranio presente en los Elementos Combustibles genera
las fisiones que activan al reactor y a medida que transcurre el tiempo se
gasta, dejando como desecho los productos de fisión, por ejemplo el Plutonio. En las
centrales de potencia el combustible gastado se almacena temporalmente en la
propia instalación, en una piscina especialmente adecuada para ello, lo que
permite bajar la actividad de los productos de fisión de vida corta. Se sabe
que en el combustible gastado se ha consumido sólo una pequeña fracción del
Uranio que contiene. Se procede entonces a la reelaboración del combustible con
el objeto de separar el Uranio que aún es utilizable. En el Proceso de
reelaboración también se pueden aislar ciertas cantidades de Plutonio u otros
productos de fisión, los cuales son de utilidad en el funcionamiento de algunos
tipos de reactores. La reelaboración es compleja y demanda fuertes inversiones
en plantas industriales de alta tecnología. El
almacenamiento de los residuos puede ser temporal o definitivo. El
almacenamiento temporal supone, en algunos casos, el control y posterior
reelaboración del combustible gastado. Si no es posible llevar a cabo la
reelaboración el combustible gastado se almacena en forma definitiva. Los
residuos radiactivos se pueden clasificar según su origen, su forma (sólidos,
líquidos, gaseosos), su nivel de radiactividad, por la vida media de los isótopos
radiactivos que contienen (de vida larga, de vida corta), por la intensidad de
las radiaciones que emiten, por su radiotoxicidad, o bien por sus necesidades de
almacenamiento. El
almacenamiento definitivo generalmente se aplica a aquellos residuos de alta
actividad y vida larga, y se puede realizar enterrándolos a distancias
relativamente cortas respecto de la superficie terrestre (menos de 20 metros).
También, se pueden almacenar en formaciones geológicas de mediana o gran
profundidad (decenas a centenares de metros). Es
importante señalar, que el volumen de residuos radiactivos producidos por una
central nuclear dependerá de las características de orden técnico del reactor
que los produce. Es así como, los reactores de investigación poseen un núcleo
pequeño con alta emisión de neutrones, generando cantidades de residuos
bastante menores en comparación a los reactores de potencia.
Gracias
al uso de reactores nucleares hoy en día es posible obtener importantes
cantidades de material radiactivo a bajo costo. Es así como desde finales de
los años 40, se produce una expansión en el empleo pacífico de diversos tipos
de Isótopos Radiactivos en diversas áreas del quehacer científico y
productivo del hombre. Estas áreas
se pueden clasificar en: Se
sabe que algunos insectos pueden ser muy perjudiciales tanto para la calidad y
productividad de cierto tipo de cosechas, como para la salud humana. En muchas
regiones del planeta aún se les combate con la ayuda de gran variedad de
productos químicos, muchos de ellos cuestionados o prohibidos por los efectos
nocivos que producen en el organismo humano. Sin embargo, con la tecnología
nuclear es posible aplicar la llamada "Técnica de los Insectos Estériles
(TIE)", que consiste en suministrar altas emisiones de radiación ionizante
a un cierto grupo de insectos machos mantenidos en laboratorio. Luego los machos
estériles se dejan en libertad para facilitar su apareamiento con los insectos
hembra. No se produce, por ende, la necesaria descendencia. De este modo, luego
de sucesivas y rigurosas repeticiones del proceso, es posible controlar y
disminuir su población en una determinada región geográfica. En Chile, se ha
aplicado con éxito la técnica TIE para el control de la mosca de la fruta, lo
que ha permitido la expansión de sus exportaciones agrícolas. La
irradiación aplicada a semillas, después de importantes y rigurosos estudios,
permite cambiar la información genética de ciertas variedades de plantas y
vegetales de consumo humano. El objetivo de la técnica, es la obtención de
nuevas variedades de especies con características particulares que permitan el
aumento de su resistencia y productividad. En el
mundo mueren cada año miles de personas como producto del hambre, por lo tanto,
cada vez existe mayor preocupación por procurar un adecuado almacenamiento y
mantención de los alimentos. Las radiaciones son utilizadas en muchos países
para aumentar el período de conservación de muchos alimentos. Es importante señalar,
que la técnica de irradiación no genera efectos secundarios en la salud
humana, siendo capaz de reducir en forma considerable el número de organismos y
microorganismos patógenos presentes en variados alimentos de consumo masivo. La
irradiación de alimentos es aplicada en Chile en una planta de irradiación
multipropósito ubicada en el Centro de Estudios Nucleares Lo Aguirre, con una
demanda que obliga a su funcionamiento ininterrumpido durante los 365 días del
año. Gracias
al uso de las técnicas nucleares es posible desarrollar diversos estudios
relacionados con recursos hídricos. En estudios de aguas superficiales es
posible caracterizar y medir las corrientes de aguas lluvias y de nieve;
caudales de ríos, fugas en embalses, lagos y canales y la dinámica de lagos y
depósitos. En
estudios de aguas subterráneas es posible medir los caudales de las napas,
identificar el origen de las aguas subterráneas, su edad, velocidad, dirección,
flujo, relación con aguas superficiales, conexiones entre acuíferos, porosidad
y dispersión de acuíferos. Se
han elaborado radiovacunas para combatir enfermedades parasitarias del ganado y
que afectan la producción pecuaria en general. Los animales sometidos al
tratamiento soportan durante un período más prolongado el peligro de reinfección
siempre latente en su medio natural. Se
ha extendido con gran rapidez el uso de radiaciones y de radioisótopos en
medicina como agentes terapéuticos y de diagnóstico. En
el diagnóstico se utilizan radiofármacos para diversos estudios de: Tiroides,
Hígado, Riñón, Metabolismo, Circulación sanguínea, Corazón, Pulmón, Trato
gastrointestinales. En
terapia médica con las técnicas nucleares se puede combatir ciertos tipos de cáncer.
Con frecuencia se utilizan tratamientos en base a irradiaciones con rayos gamma
provenientes de fuentes de Cobalto-60, así como también, esferas internas
radiactivas, agujas e hilos de Cobalto radiactivo. Combinando el tratamiento con
una adecuada y prematura detección del cáncer, se obtienen terapias con
exitosos resultados. Se
trata de un método y procedimiento de gran sensibilidad utilizado para realizar
mediciones de hormonas, enzimas, virus de la hepatitis, ciertas proteínas del
suero, fármacos y variadas sustancias. El
procedimiento consiste en tomar muestras de sangre del paciente, donde con
posterioridad se añadirá algún radioisótopo específico, el cual permite
obtener mediciones de gran precisión respecto de hormonas y otras sustancias de
interés. Se
administra al paciente un cierto tipo de fármaco radiactivo que permite
estudiar, mediante imágenes bidimensionales (centelleografía) o
tridimensionales (tomografía), el estado de diversos órganos del cuerpo
humano. De este
modo se puede examinar el funcionamiento de la tiroides, el pulmón, el hígado
y el riñón, así como el volumen y circulación sanguíneos. También, se
utilizan radiofármacos como el Cromo - 51 para la exploración del bazo, el
Selenio - 75 para el estudio del páncreas y el Cobalto - 57 para el diagnóstico
de la anemia. En
esta área se utilizan técnicas nucleares para la detección y análisis de
diversos contaminantes del medio ambiente. La técnica más conocida recibe el
nombre de Análisis por Activación Neutrónica, basado en los trabajos
desarrollados en 1936 por el científico húngaro J.G. Hevesy, Premio Nobel de
Química en 1944. La técnica consiste en irradiar una muestra, de tal forma, de
obtener a posteriori los espectros gamma que ella emite, para finalmente
procesar la información con ayuda computacional. La información espectral
identifica los elementos presentes en la muestra y las concentraciones de los
mismos. Una
serie de estudios se han podido aplicar a diversos problemas de contaminación
como las causadas por el bióxido de azufre, las descargas gaseosas a nivel del
suelo, en derrames de petróleo, en desechos agrícolas, en contaminación de
aguas y en el smog generado por las ciudades. Se
elaboran sustancias radiactivas que son introducidas en un determinado proceso.
Luego se detecta la trayectoria de la sustancia gracias a su emisión
radiactiva, lo que permite investigar diversas variables propias del proceso.
Entre otras variables, se puede determinar caudales de fluidos, filtraciones,
velocidades en tuberías, dinámica del transporte de materiales, cambios de
fase de líquido a gas, velocidad de desgaste de materiales, etc.. Son
instrumentos radioisótopicos que permiten realizar mediciones sin contacto físico
directo. Se utilizan indicadores de nivel, de espesor o bien de densidad. Es
posible obtener imágenes de piezas con su estructura interna utilizando
radiografías en base a rayos gamma o bien con un flujo de neutrones. Estas imágenes
reciben el nombre de Gammagrafía y Neutrografía respectivamente, y son de gran
utilidad en la industria como método no destructivo de control de calidad. Con
estos métodos se puede comprobar la calidad en soldaduras est | |||||||||
El
calor generado por la reacciones en cadena se utiliza para hacer hervir el agua.
El vapor producido se introduce en una turbina que acciona un generador eléctrico.
El vapor que sale de la turbina pasa por un condensador, donde es transformado
nuevamente en agua líquida. Posteriormente vuelve al reactor al ser impulsada
por un bomba adecuada.
Sistemas
de Contención. 
El
Ciclo del Combustible Nuclear son todos los procesos por los cuales se somete al
Uranio desde que se extrae de la tierra hasta su utilización en el reactor y su
posterior reelaboración o su almacenamiento como residuo. Consta de las
siguientes etapas: