Como ya se ha comentado, existen dos formas de obtención de energía a partir de las reacciones nucleares, como serían los procesos de fisión y fusión nuclear, los cuales serán explicados a continuación.
A. Fisión nuclear
Por “fisión nuclear” se entiende la reacción nuclear en la que tendría lugar la rotura o división de un núcleo pesado en, generalmente, dos fragmentos formados por núcleos de átomos más ligeros, apareciendo a su vez una emisión de neutrones y energía. De forma general, este proceso se produce como consecuencia de la captura de un neutrón (que provocará que el núcleo, en estado excitado, sea altamente inestable y se rompa en los dos fragmentos mencionados), aunque existen casos de fisión
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por captura de un fotón u otras partículas, o también por propia desintegración espontánea [10, 17]; cabe resaltar que, el hecho de que entre los productos de estas reacciones de fisión se encuentren los neutrones, los cuales pueden iniciar a su vez nuevas reacciones nucleares, hace de este proceso una reacción en cadena.
Se puede diferenciar entre fisión espontánea e inducida, aunque la espontánea es un fenómeno extremadamente raro (por ejemplo, con un núcleo como el Uranio-238, la fisión espontánea solo aparece una vez cada 2 millones de desintegraciones) [25], utilizándose como parámetro crítico para tal proceso la relación Z2/A; si el valor numérico de Z2/A para un núcleo dado es mayor que 49,
cabría esperar entonces que se produjera su fisión espontánea [26]. Sea cual fuere el origen de la fisión, el resultado sería el mismo: El núcleo se parte, se generan como resultado radiaciones y partículas, y se libera además una gran cantidad de energía (por ejemplo, la fisión de 1 Kg de Uranio-235 puede llegar a liberar 18,7 millones de kWh en forma de calor) [12]. En la figura 2.8 se presenta el esquema del proceso de fisión inducida, que sería con el que se trabaja en las centrales nucleares, para asegurarse de que la probabilidad de que ocurra la fisión sea del 100 %.
Figura 2.8. Proceso de fisión nuclear inducida [27]
Dentro del reactor nuclear tendría lugar la reacción de fisión en cadena que se ha comentado, la cual se puede medir utilizando un factor de multiplicación “k”, que no es más que la razón de neutrones que se producen entre los que se consumen. En función del valor de este factor, se pueden considerar tres tipos distintos de procesos de fisión [12]:
1) Fisión crítica: Este tipo se da cuando el factor “k” es igual a 1, produciéndose las reacciones en cadena de forma constante, es decir, que el número de neutrones producidos en las fisiones sería igual al número de neutrones que se consumen.
2) Fisión subcrítica: Este tipo de fisión aparece cuando el factor “k” es menor que 1. En este caso, no habría suficientes neutrones para poder mantener las reacciones en cadena, provocando que la reactividad se vea moderada y la potencia total vaya disminuyendo.
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3) Fisión supercrítica: La fisión supercrítica está asociada a que el factor “k” sea mayor que 1, existiendo entonces más neutrones producidos que los que se llegan a consumir. La potencia del proceso, por tanto, se verá incrementada.
Para que, una vez que un neutrón incide sobre un núcleo, se consiga la división de éste en fragmentos, es necesario vencer la energía de enlace de los nucleones constituyentes. Existe, por tanto, una energía mínima que se debe superar (es decir, que debe aportar el propio neutrón, llamada “energía crítica de fisión”. Si el núcleo dispone de esta energía, la fisión tendrá lugar normalmente, no existiendo posibilidad de fisión en caso contrario, al menos con velocidad apreciable [28]. No obstante, puede existir el caso en el que la energía del núcleo es por sí sola mayor que esa energía crítica de fisión, de tal modo que bastará solo con la captura de un neutrón para que tenga lugar la fisión, sin necesidad de que éste aporte más energía. Estos elementos en los que no resulta necesario que el neutrón aporte energía se denominan “elementos físiles”, mientras que aquellos en los que sí se necesita ese aporte serán “elementos fisionables” [17]. En la tabla 2.5 se presentan los valores de la energía crítica de fisión asociados a ciertos núclidos relevantes. En dicha tabla se puede observar que, a medida que aumenta el valor de Z2/A, la energía crítica disminuye, provocando que la fisión
se produzca con mayor facilidad.
Tabla 2.5. Ejemplos de la energía crítica de fisión [28]
Núcleo Z2/A Energía crítica de fisión (MeV)
Torio-232 34,9 5,9
Uranio-238 35,6 5,9
Uranio-235 36 5,8
Uranio-233 36,4 5,5
Plutonio-239 37 5,5
Otro factor a considerar en el proceso de fisión es la masa crítica, que sería la cantidad mínima de material fisionable para que se mantenga una reacción nuclear en cadena. Así pues, si la masa de material radiactivo en algún momento resulta menor a este factor, la mayoría de los neutrones se perderían a un ritmo más rápido de lo que se formarían por el propio proceso de fisión, provocando que la reacción en cadena no fuera autosostenible y se detuviera. Esta masa crítica depende de las propiedades físicas, nucleares, la geometría y la pureza de cada átomo, debiéndose utilizar reactores con geometría de esfera para reducir al máximo la fuga de los neutrones, ya que tienen la mínima superficie posible para una masa dada [29].
B. Fusión nuclear
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al unir núcleos de átomos ligeros, llevando a la formación de otro núcleo más pesado que presenta una mayor estabilidad. Un ejemplo de reacciones de fusión son las que tienen lugar en el Sol, donde se produce la fusión de núcleos de hidrógeno para formar helio, liberando así una enorme cantidad de energía en forma de radiación electromagnética, que alcanza la superficie terrestre [30]. La fusión nuclear posee la ventaja de que, al no tratarse de reacciones en cadena, nunca se llega a perder el control del proceso, ya que en el momento en que se cierra el suministro de combustible se puede parar la reacción; sin embargo, sigue siendo debate de investigaciones científicas el cómo controlar completamente la descomunal cantidad de energía que liberarían las reacciones de fusión [31].
Para que tenga lugar una reacción de fusión, resulta necesario acercar los núcleos hasta distancias muy cortas, en las que la fuerza de atracción nuclear supere las fuerzas de repulsión electrostática, debiéndose cumplir para ello los siguientes requisitos [10, 30]:
• Es necesario alcanzar altas cuotas de energía, debiéndose utilizar aceleradores de partículas o calentar el medio hasta que éste alcance temperaturas del orden de 50000 K, condición en el que el medio se transforma en una especie de plasma, masa compuesta por electrones libres y átomos altamente ionizados.
• Este plasma hay que confinarlo y controlarlo el tiempo necesario para que se lleve a cabo la reacción, debiéndose a su vez lograr una densidad del plasma suficiente para que los núcleos estén cerca unos de otros.
• Este confinamiento puede realizarse de dos formas, como serían el confinamiento magnético (donde se utilizan campos electromagnéticos que “atrapan” las partículas del plasma para que se muevan ordenadas por el campo) y el confinamiento inercial (que consiste en crear un medio tan denso que las partículas no tengan casi ninguna posibilidad de escapar sin chocar entre sí).