Los constituyentes básicos de la materia

Hoy en día sabemos que la materia de la que está constituído el mundo puede entenderse a partir de muy pocos "ladrillos" constitutivos. La idea es que, hurgando cada vez más fino, como si empleáramos una lupa más y más poderosa, nos encontraremos al final con pequeños bloques constructivos indivisibles. Un libro, un gato y un ratón, una montaña o más simplemente el átomo, estarán compuestos por estos bloques que llamamos "materia elemental" o "partículas elementales".

 

Hasta fines del siglo XIX se pensaba que esos bloques indivisibles eran los átomos, pero numerosas investigaciones llevaron a modificar esta idea. Actualmente se sabe que los átomos están compuestos por un núcleo y por electrones que se mueven en torno a éste. A su vez el núcleo está compuesto por protones y neutrones, los que su vez están formados por otras partículas. A estas últimas las llamamos "partículas elementales de materia" porque:

 

Hasta hoy, se considera que estas partículas serían… ¡solamente doce! Se las conoce como quarks y leptones. Existen seis tipos de quarks y seis tipos de leptones (y sus antipartículas, que tienen igual masa y carga opuesta).

QUARKS masa (Gev/c2) carga elec. U (up) .005 +2/3 D (down) .01 -1/3 C (charm) 1.5 +2/3 S(strange) 0.2 -1/3 T (top) 180 +2/3 B (beauty) 4.7 -1/3

LEPTONES masa (Gev/c2) carga elec. neutrino-electrón <7x10-9 0 electrón .000511 -1 neutrino-muon <.0003 0 muon 0.106 -1 neutrino-tau <.03 0 tau 1.7771 -1

Los quarks y leptones se agrupan en tres "familias" o "generaciones",      que en la tabla se indican con colores diferentes. En todas las familias           se repite el mismo esquema de cargas, pero las masas son muy          diferentes. Si bien los quarks tienen carga eléctrica fraccionaria,               se unen para formar partículas compuestas (llamadas                   hadrones) como el protón o el neutrón                    que tienen carga entera (por ejemplo,                        la carga del protón es 1 y                          la del neutrón es 0).

Los quarks más conocidos son el quark "u" y el quark "d" que forman parte del protón y del neutrón. El electrón a su vez, responsable de la corriente eléctrica, es el más conocido de los leptones. Toda la materia con la que convivimos y de la que estamos formados esta compuesta por protones, neutrones y electrones. Es sólo a través de experimentos en aceleradores, o mediante la observación de rayos cósmicos que podemos saber de la existencia de los otros quarks y leptones.

Así como el electrón tiene carga eléctrica, los quarks tienen, además, otra especie de carga llamada "color". Este nombre no tiene nada que ver con los colores que vemos, es el nombre que se da a una nueva característica, específica de los quarks. Podríamos decir que el color de los quarks y los colores del arco iris tienen tanto que ver entre sí como los grados de la escuela y los grados Centígrados... Los quarks aparecen con tres tipos de carga o colores.

Quarks y leptones pueden agruparse en tres familias, cada una con dos tipos de quarks y leptones.

Hay tres familias de quarks y leptones. Sin embargo dijimos que toda la materia estable del universo está formada sólo por los dos tipos de quarks menos masivos, el “up” y el “down”, y por el más liviano de los leptones cargados, el electrón.

¿Por qué no observamos las partículas de las otras familias?

Las otras partículas son más pesadas y pueden decaer a partículas más livianas (ver tabla con masas). En un decaimiento, la partícula original desaparece y se producen dos o más partículas. La suma de las masas de las partículas producidas es siempre menor que la masa de la partícula original. Aunque esta última condición se cumpla, no siempre una partícula pesada podrá decaer a otras mas livianas,. Para que ello suceda, tiene que existir una "interaccion" que le permita hacerlo.

Son las interacciones débiles las que permiten que los quarks y leptones más pesados decaigan para producir quarks y leptones más livianos. Por eso sólo observamos los quarks livianos "up" y "down" y el electrón, que es el leptón más liviano.

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Reacciones Núcleares E = m c 2

Los núcleos de los átomos están formados por partículas llamadas nucleones, entre las que se encuentran los protones (partículas con carga eléctrica positiva) y los neutrones (que como su nombre lo indica, son eléctricamente neutras). El número de protones es el número atómico, que se representa generalmente con la letra Z. Cuando sumamos al número atómico el número de neutrones (que llamamos N), obtenemos el número de masa (A), o número de nucleones (A=N+Z). Mediante técnicas muy precisas es posible determinar la masa de un núcleo atómico. También es posible medir la masa de un protón aislado y la de un neutrón aislado, que son muy parecidas.

          Tal como intuitivamente se podría esperar, se puede decir que a grandes rasgos cuanto más grande es el número A, mayor es la masa del núcleo, de allí el nombre "número de masa". Los núcleos que tienen A pequeño, por ejemplo el hidrógeno, el helio o el oxígeno, son llamados "livianos". Los núcleos con A grande, como el plomo, el torio o el uranio, son llamados "pesados".

          

La sorpresa es que la masa del núcleo resulta siempre menor que la suma de las masas de los nucleones que lo constituyen. Esto nos resulta muy raro, ya que se contrapone a lo que experimentamos a diario en situaciones en que agregamos unas sustancias a otras. De hecho, cuando mezclamos un kilo de harina con medio kilo de manteca, la pasta resultante pesa un kilo y medio… y no menos.

La masa que "falta" en los núcleos atómicos cuando los formamos juntando todos los nucleones no ha desaparecido, sino que se ha transformado en energía, de acuerdo a la famosa relación de Einstein "E = mc2 ". Einstein dice (¡y tiene razón!) que la energía (E) de un cuerpo es igual a su masa (m) multiplicada por la velocidad de la luz (c) al cuadrado.

Cuando desaparece una cantidad de masa, aparece una cantidad equivalente de energía. En nuestra desaparición de masa al formar el núcleo, la energía que aparece es llamada "energía de unión". Esa energía de unión actúa como un pegamento que une a los nucleones. Si quisiéramos separar o disociar todos los nucleones nuevamente, tendríamos que hacer fuerza a medida que los separamos, es decir tendríamos que hacer trabajo. El trabajo total que haríamos en ese caso sería igual a la energía de unión.

    

La energía de unión por nucleón, es decir la energía de unión dividida por el número de nucleones (A), nos indica cuánta masa perdió en promedio cada nucleón presente en el núcleo. Esto nos da idea de cuán "pegados" están los nucleones entre sí. Cuanto más grande es la energía de unión por nucleón, más unidos están unos a otros y más difícil resulta separarlos.
       
No sabemos por qué esto es así, pero sabemos que la energía de unión por nucleón no es igual para todos los elementos: es pequeña para núcleos livianos (cerca del hidrógeno), se hace máxima para núcleos intermedios (cerca del hierro) y se vuelve a achicar para núcleos pesados (plomo, uranio). Esto indica que los núcleos más difíciles de disociar (es decir, de desarmar en sus nucleones) son justamente los núcleos medios, ya que su pérdida de masa por nucleón es la más grande.

          Toda transformación de núcleos que conduzca a la formación de núcleos intermedios producirá entonces energía. Por ejemplo, si lográramos partir un núcleo de plomo en dos, los dos núcleos resultantes serían intermedios y en el proceso se liberaría energía. Si lográramos juntar dos núcleos de azufre (livianos), también formaríamos un núcleo intermedio y también obtendríamos energía. En cambio, se requiere mucha energía en producir azufre partiendo un núcleo intermedio o en producir plomo juntando dos núcleos intermedios.
       
Estas transformaciones que pueden ocurrir en los núcleos de los átomos, y que consisten fundamentalmente en juntar o separar nucleones y/o grupos de nucleones, son las reacciones nucleares. La energía liberada en las reacciones nucleares es la energía nuclear.
       
A lo largo de millones y millones de siglos las reacciones nucleares se van produciendo naturalmente en el universo. Es muy difícil que a medida que se van formando núcleos intermedios, éstos se destruyan por otras reacciones nucleares, ya que es más fácil que ocurra una reacción que produzca energía que otra que necesite energía (como es más fácil bajar una escalera que subirla). Esto explica por qué las estrellas más viejas tienen mucho hierro.
       
Las reacciones nucleares de mayor interés por sus aplicaciones en el campo de la producción de energía son la fusión y la fisión.

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Energías vinculadas con la interacción electromagnética

 Agrupamos aquí aquellas energías que se vinculan en última instancia, a escala microscópica (del tamaño de los átomos), con las fuerzas eléctricas entre partículas cargadas. Como ejemplos están la energía calórica, la energía eléctrica, la energía radiante y la energía química.

Energía calórica:          

A escala atómica el calor se traduce en un movimiento desordenado de las moléculas. A nuestra escala macroscópica el calor (o la energía calórica) es la forma de energía puesta en juego cuando varía la temperatura de un cuerpo o bien cambia su estado (por ejemplo es el calor el que derrite el cubito de hielo).

El calor se puede transmitir directamente de un cuerpo a otro (sin transformación a otro tipo de energía), lo que se denomina conducción calórica. Si tocamos una plancha de la ropa que está a mayor temperatura que nuestra mano, sentimos que nos quema: es el calor de la plancha que fluye hacia nuestro cuerpo a través de la conducción. Si sostenemos un cubito de hielo en nuestra mano sentimos la sensación de frío que nos indica que ahora el calor es conducido desde nuestro cuerpo al cubito, que se nos derrite entre los dedos.

La energía calórica también puede ser convertida en energía mecánica, como sucede en una turbina, en una máquina de vapor o en el reactor de un avión. Sin embargo esta conversión nunca puede ser total.

          

Energía eléctrica:           

Las partículas cargadas ejercen unas sobre otras fuerzas eléctricas. De la misma manera en que la energía potencial gravitatoria está asociada a las fuerzas de la gravedad o peso, la energía potencial eléctrica está también asociada a las fuerzas eléctricas entre cargas. El movimiento de las cargas eléctricas en un circuito es acompañado por la transformación de la energía eléctrica en calor (en un cuarzo calefactor), en energía mecánica y trabajo (en un motor ) o en luz (en una lamparita). 

ENERGIA RADIANTE:

La radiación es una forma de transporte de energía, incluso a través del vacío. La luz es una forma de radiación. El Sol nos transmite por medio de la luz, de los rayos infrarrojos y de los ultravioletas una potencia de 1 kW por metro cuadrado, es decir que en cada segundo nos llega procedente del Sol una energía igual a 1.000 Joules por cada metro cuadrado de la superficie terrestre. 

 

 

Las radiaciones forman parte de nuestra vida diaria: la energía eléctrica se transforma en calor en el filamento de una lamparita, calor que a su vez es evacuado de la lamparita en parte por radiación luminosa e infrarroja; en un horno a microondas la energía eléctrica les transfiere calor a los alimentos por medio de radiaciones llamadas justamente "microondas", muy similares a las que se utilizan en los radares; las ondas de radio y televisión transportan desde las emisoras hasta las antenas receptoras una energía pequeña, pero suficiente para llevar de un lugar a otro imágenes, sonido u otra información.

 

Inversamente, una parte de la radiación proveniente del Sol puede ser transformada en energía eléctrica gracias a las fotopilas, como las que encontramos en algunos relojes pulseras y calculadoras. 

 

Energía química:

          La energía química disponible como consecuencia de una reacción química está asociada a las uniones que existen entre los átomos en las moléculas. Dos átomos libres de hidrógeno se combinan químicamente con un átomo de oxígeno formando una molécula de agua y liberando (o sea emitiendo) energía.
          

Si se quiere desarmar una molécula de agua se debe gastar energía. Dicho en otras palabras, se gana energía formando moléculas de agua a partir de hidrógeno y oxígeno, pero se gasta energía para desarmarla y volver a tener átomos libres de hidrógeno y oxígeno.
          

En general cuanto más unidos están los átomos en una molécula (como en el caso de los dos hidrógenos y el oxígeno en la molécula de agua) menos energía puedo sacarles, y cuanto menos unidos están (como son los átomos libres del hidrógeno y el oxígeno) más energía se puede sacarles. Las energías químicas del hidrógeno y del oxígeno son mayores que la de las moléculas de agua. Cuando el hidrógeno y el oxígeno reaccionan químicamente (es decir cuando tiene lugar la combustión) para producir agua, sobra entonces una parte de la energía química que aparece como calor.
          

En una central térmica, la combustión del gas libera energía química en forma de calor; una fracción del calor es después transformado en energía mecánica del movimiento de las turbinas, que a su vez se transforma parcialmente en energía eléctrica en el alternador. En una batería o pila eléctrica una parte de la energía química liberada se transforma directamente en energía eléctrica. Es gracias a la energía química de los alimentos que podemos mantener nuestro cuerpo en funcionamiento y a la temperatura normal.

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Electricidad: la forma más difundida para transportar energía

 La relativa facilidad para almacenar y también para transportar a grandes distancias el carbón, el petróleo y el gas ha sido uno de los factores primordiales del desarrollo industrial en los últimos siglos. La popularización del uso del automóvil se basa también en la posibilidad de llevar consigo suficiente carburante para recorrer varios cientos de kilómetros.

          

Sin embargo, la electricidad es la única forma de energía capaz de ser transformada casi totalmente en cualquiera de las otras formas, y de ser transportada largas distancias desde los lugares donde es producida (¡en realidad transformada!) a costo relativamente reducido. Actualmente, se trabaja en mejorar las pérdidas por calentamiento de las redes de alta tensión, que rondan el 10%.

          

Producir energía eléctrica es relativamente simple si se dispone de un alternador de auto o una dínamo de bicicleta: basta con hacerlos girar. Cuando hacemos girar una dínamo a mano, la energía de nuestro cuerpo se transforma en energía mecánica (el movimiento de nuestro brazo y nuestra mano para mover la dínamo) y la dínamo transforma esa energía mecánica en energía eléctrica. Se puede hacer un experimento simple para mostrar esto: poniendo y sacando un imán en el interior de un rollo de alambre en los extremos del mismo veremos que se produce un voltaje.

        

Para no gastar nuestra propia energía, podemos recurrir a alguna astucia: por ejemplo podemos ponerle unas aspas al rotor del alternador y hacer que la corriente de un río las mueva. Nuevamente estamos en presencia de varias transformaciones de energía: la energía potencial gravitatoria que tiene el agua en las alturas se transforma en energía mecánica del agua del río y es esa energía mecánica la que se transforma en energía eléctrica. Este es sin dudas el caso más simple de energía hidroeléctrica. En las centrales hidroeléctricas de Yacyretá o El Chocón, este proceso se realiza a gran escala: el agua mueve grandes turbinas, las que a su vez hacen girar los ejes de grandes generadores. Las centrales hidroeléctricas pueden tener potencias que van desde los cientos de kW (microturbinas para pequeños emprendimientos aislados) hasta varios miles de MegaWatts o Megavatios (Yacyretá, Itaipú).

          

Si en lugar del agua del río usáramos la fuerza del viento para mover el alternador, diríamos que transformamos la energía mecánica de los vientos (eólica) en energía eléctrica. Esto sucede en los aerogeneradores o molinos que son comunes en el campo. Los aerogeneradores más evolucionados hasta el presente tienen aspas de alrededor de 10 metros de largo y tienen una potencia máxima de cerca de 1 Megavatios, es decir que se requerirían aproximadamente 1.500 de ellos para totalizar la potencia de El Chocón.

           

El motor a explosión de nuestro auto hace girar al alternador, que genera la energía eléctrica para que la batería del auto se recargue, a la vez que alimenta las componentes eléctricas del mismo. Un sistema similar a éste lo constituyen los generadores eléctricos llamados "de explosión", en los cuales un motor (generalmente Diesel) a explosión hace girar al alternador. Este tipo de instalación tiene una potencia que no supera en general la escala del Megavatio. Suele usarse como reserva de emergencia para cuando falla el suministro de electricidad normal (emergencias en hospitales, fábricas, etc.). A este equipo a veces se lo llama "grupo electrógeno".

          

Otra solución similar sería producir un chorro de vapor y con él mover las aspas que antes usamos para el río o el viento. Por ejemplo, en nuestro hogar podríamos poner una pava o una olla a presión con agua sobre la hornalla de la cocina y usar el vapor que sale por el pico o por la válvula para mover las aspas, que a su vez harían mover la dínamo. En este caso, la energía química del combustible (por ejemplo el gas, carbón petróleo, leña) se transforma en energía calórica que se usa para calentar el agua y generar vapor. La energía calórica se transforma en la energía mecánica del vapor, que es a su vez transformada en energía eléctrica por la dínamo. Las "fábricas de electricidad" que utilizan este método se llaman generalmente "usinas", o centrales térmicas.

          

En las usinas como Puerto Nuevo o Costanera, en Buenos Aires, en lugar de pavas u ollas a presión hay enormes calderas donde se queman fuel oil y gas para calentar grandes cantidades de agua y mover grandes turbinas, que a su vez mueven a los alternadores o generadores. Las usinas térmicas pueden tener una potencia que va desde los cientos de kW hasta alrededor de 1.000 Megavatios.

          

En el caso de la energía solar, mediante grandes espejos parabólicos se podría concentrar el calor del Sol en un calentador de agua y así obtener vapor, siendo el resto del proceso similar al de las centrales térmicas. Las centrales solares experimentales que hay en el mundo actualmente que utilizan este sistema ocupan grandes espacios, pero su potencia no supera los 2 ó 3 Megavatios.

      

La luz solar puede también ser usada para producir directamente energía eléctrica (efecto fotoeléctrico), sin pasar por la producción de calor ni el movimiento de alternadores, como sucede con las celdas fotovoltaicas de los relojes y calculadoras solares. Con esta técnica actualmente se pueden generar potencias del orden de algunos kilovatios, es decir para hacer frente a algunas de las necesidades de una casa de familia.

          

En un reactor nuclear, el alternador (o la dínamo) es en realidad un generador eléctrico que alimenta las grandes redes de distribución eléctrica. Las aspas de nuestro pequeño molino son reemplazadas por los álabes (nombre que se da a las aspas) de una sofisticada turbina que mueve al generador. Un condensador recupera el vapor que mueve la turbina, refrigerándolo con el agua de un río. La pava es reemplazada por un generador de vapor y el fuego es reemplazado por un proceso nuclear. El área donde se producen los procesos nucleares es el reactor nuclear que está en el interior de un recinto de contención, edificio de importancia para la seguridad de la instalación. La potencia de las centrales nucleares para producción de energía eléctrica va desde el orden de los 100 MW hasta aproximadamente 1.500 MW. En la actualidad existen proyectos para diseñar centrales nucleares de 20 a 100 MW (por ejemplo el proyecto Carem que lleva adelante actualmente la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA) en Argentina).

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La energía de los Núcleos de los Átomos

LA FISIÓN NUCLEAR

EN 1932, el físico inglés James Chadwick descubre el neutrón. Con ello se abren las puertas para seguir las investigaciones que conducirían a Enrico Fermi a construir en Chicago la primera pila o reactor nuclear. El neutrón es una partícula que no tiene carga eléctrica y su masa es casi igual a la del protón. Ambas partículas forman el núcleo de un átomo.

Chadwick trabajó para Ernest Rutherford, quien propuso el modelo del átomo, constituido por un núcleo central cargado positivamente y electrones girando a su alrededor. El modelo de Rutherford, junto con el tratamiento cuántico que le dio el físico danés Niels Bohr, conforman la descripción clásica del átomo. La descripción moderna incluye un núcleo, compuesto de protones, neutrones —que a su vez están compuestos por partículas más elementales llamadas quarks— y electrones representados como una nube con una cierta probabilidad de encontrarlos en un lugar determinado.

En el texto en que Chadwick anuncia su descubrimiento dice así: 

Para explicar el gran poder de penetración de la radiación debemos suponer que la partícula no tiene carga neta. Podemos también suponer que se trata de una combinación cerrada de protón y electrón, el neutrón discutido por Rutherford en su Conferencia Baqueriana en 1920. (Proc. Roy. Soc. of London, vol. A 136, 1932).

Pero, ¿cuál es la relación entre el neutrón y la energía nuclear? Primero, hay que conocer la estructura del núcleo atómico y, segundo, tomar en cuenta que los neutrones son los responsables de las reacciones en cadena. Al bombardear un átomo pesado con neutrones, el núcleo de éste se rompe o se fisiona, liberando en el proceso una enorme cantidad de energía. Al fisionarse puede emitir también neutrones, y si éstos son dos o tres, chocarán con otros átomos, produciéndose una reacción en cadena. Por esta razón, el descubrimiento del neutrón es decisivo en la energía nuclear y en particular para producir energía útil en un reactor nuclear.

En 1933, los esposos Frédéric Joliot e Irene Curie descubren que al bombear una delgada lámina de aluminio con partículas alfa (núcleos de helio) provenientes de una fuente de polonio, se produce una radiación muy intensa. Es así como nace la radiactividad artificial.

El físico italiano Enrico Fermi demuestra en 1934 que al hacer incidir un haz de neutrones en la parafina, éstos se desaceleran, debido a los choques elásticos con los átomos de parafina y, lo más importante, que los neutrones lentos son más efectivos para producir algunas reacciones nucleares. En 1935 la química Ida Noddack propone la primera explicación de la fisión nuclear.

Mientras esto ocurría, el equipo de Fermi bombardeaba con una fuente de neutrones el uranio y había encontrado un nuevo elemento de número atómico 93 que sufría "ulteriores desintegraciones cuya naturaleza aún no ha sido aclarada", según afirma Otto María Corbino, impulsor de Fermi.

Ida Noddack había escrito una carta a la Revista de Química Aplicada, en la que señalaba: "Cabe pensar que al bombardear núcleos pesados con neutrones, estos núcleos se descompondrán en varias partes menores, las cuales, si bien serán isótopos de elementos conocidos, no serán vecinos de los elementos sujetos a radiación." Pese a que Ida Noddack envió al equipo de Fermi un artículo con su propuesta, no le hicieron caso. Aunque señala Emilio Segré, colaborador de Fermi, "tampoco Noddack se molestó en realizar los simples experimentos que podían sustentar su hipótesis."

Mientras Fermi recibe en 1938 el Premio Nobel por la producción de elementos radiactivos artificiales a partir de neutrones, se entera de que se ha logrado romper el núcleo atómico con neutrones.

Otto Hahn y su discípulo Fritz Strassmann comunican su resultado: "Como químicos, debemos decir que el producto obtenido es bario, no radio, pero como químicos nucleares no podemos persuadirlos de este salto, en contradicción con todos los conocimientos previos de física nuclear. Tal vez, después de todo, nuestros resultados se volvieron engañosos por una serie de extraños accidentes".

Otto Hahn comunica el hallazgo a su ayudante Lise Meitner, física austriaca de ascendencia judía a quien el fascismo hace huir a Suecia, pero que seguía de cerca las investigaciones de Hahn y lo había asistido durante más de treinta años. Lise se reúne con su sobrino en Kungalv, quien está de vacaciones: se trata del físico Otto R. Frisch, quien trabajaba en la misma dirección. Lise le da a leer la carta de Hahn y ambos interpretan correctamente el experimento que Hahn y Strassman no se habían atrevido a considerar como fisión nuclear. Efectivamente, bombardeando uranio con neutrones se producen dos elementos que nada tienen que ver con éste: bario y kriptón. Frisch viaja a Copenhague para comunicarle a Niels Bohr su descubrimiento, pidiéndole que lo mantenga en secreto hasta que él y Frau Meitner publiquen los resultados. A Frisch se le ocurre la idea de designar al fenómeno con el nombre de fisión nuclear, tras preguntar a un biólogo por el nombre que se utilizaba para referirse a una célula que se parte en dos. Cinco años más tarde sale publicado el artículo en la revista Nature, y esta demora les da ventaja a Hahn y Strassman, quienes reciben el Nobel por el descubrimiento.

Poco después, Bohr y Wheeler (en aquella época su ayudante) exponen la teoría de que el isótopo de uranio-238 (el más abundante en la naturaleza) produce fisión sólo si se bombardea con neutrones rápidos (con energías mayores al megaelectrón- volt), mientras que el uranio-235 se puede fisionar con neutrones lentos. Más tarde, A. Nier y J. R. Dunning confirman experimentalmente la hipótesis de Bohr.

Fermi y Bohr eran las cabezas de las investigaciones nucleares de la época. En agosto de 1939, Leo Szilard, también pionero de la fisión, junto con varios compañeros húngaros, convencen a Albert Einstein para que firme una carta dirigida al entonces presidente de Estados Unidos Franklin Delano Roosevelt, advirtiéndole del peligro que entrañaba el descubrimiento de la fisión del átomo.

La famosa carta, aún en controversia, sin justificación, dado que Einstein no participó en la construcción de la bomba atómica, provocó que los EUA aceleraran las investigaciones de la fisión nuclear para impedir que los alemanes tomaran la delantera. Y efectivamente, no pudieron tomarla porque los físicos más importantes se encontraban exiliados en EUA. Sin embargo, el mal uso de la energía nuclear fue lo que aceleró las investigaciones y produjo los desastrosos resultados conocidos por todos: la bomba atómica arrojada en 1945 sobre las ciudades japonesas de Hiroshima y Nagasaki.

En 1940 E. M. McMillan, J.W. Kennedy y A.C. Wahl descubren el plutonio, elemento producido en los reactores nucleares y que se utiliza para hacer la bomba atómica, utilizando el ciclotrón de 1.5 metros de Berkeley. Un equipo impresionante de físicos trabajaba entonces para lograr producir una reacción en cadena controlada y, "de pasadita", el combustible necesario para la fabricación de la bomba.

Sólo cuatro años después del descubrimiento de la fisión, el 2 de diciembre de 1942, Fermi y sus colaboradores, después de algunos fracasos, logran construir en Stagg Field, Chicago, bajo la dirección de Arthur H. Compton, la primera pila de uranio, primer reactor nuclear, en el lugar donde se proyectaba instalar una cancha de squash para la Universidad de Chicago. Para entonces, en varios sitios de EUA se investigaba cómo lograr la fisión controlada, por ejemplo en las universidades de Berkeley y Columbia.

El momento en que la pila de uranio de Chicago alcanzó el nivel crítico, según narra Fermi, fue como sigue:

En la mañana del 2 de diciembre de 1942, las indicaciones demostraron que se habían excedido ligeramente las condiciones críticas, y que la reacción en cadena no se efectuaba dentro del sistema únicamente por la absorción de las tiras de cadmio. Durante la mañana, con cuidado se retiraron todas las tiras de cadmio menos una; esta última se extrajo poco a poco, y se vigiló de cerca la intensidad. A partir de las mediciones, se esperaba que el sistema se volviera crítico al remover un tramo de cerca de ocho pies de esta última tira. En efecto, cuando se removieron cerca de siete pies de altura, la intensidad se elevó a un valor muy alto, pero aun así, se estabilizó después de algunos minutos en un nivel finito. Con algo de ansiedad, se dio la orden de remover un pie y medio de la tira. Esta operación nos llevaría a la victoria. Cuando se retiró el pie y medio, muy lentamente comenzó a elevarse la intensidad, pero en una proporción cada vez mayor, que siguió creciendo hasta que se hizo evidente que finalmente se desviaría. Luego se insertaron las tiras de cadmio dentro de la estructura y la intensidad decayó con rapidez a un nivel insignificante.

En los primeros experimentos se utilizó uranio natural (238), pero dado que se podían partir los núcleos con neutrones lentos, se formaron dos equipos de investigación: el de Dunning y Booth bajo la asesoría de Urey (descubridor del agua pesada), que trabajaba con uranio enriquecido, y el de Fermi, Szilard, Zinn y Anderson, que empleaba uranio natural.

Poco después, el Proyecto Manhattan, dirigido por el general Leslie Groves y con J. Robert Oppenheimer, como uno de los jefes, dio su fruto letal: las tres primeras bombas atómicas construidas en Los Alamos, Nuevo México.

Sin embargo, toda moneda tiene dos caras. El reverso de la desgracia que representó la utilización de la energía de la fisión en las bombas atómicas lanzadas sobre Hiroshima y Nagasaki fue la construcción del reactor nuclear. Después del reactor de Chicago se construyeron rápidamente centrales nucleares en Canadá, Francia, la ex URSS, Alemania e Inglaterra.

Hasta ahora se ha dado un panorama general de los hechos más relevantes que llevaron a la construcción del primer reactor, y sólo han pasado cincuenta años desde entonces. No obstante, estos sucesos se aquilatan mejor si se tiene una idea general del funcionamiento de un reactor nuclear.

Un reactor es un sistema en el cual se libera calor como producto de la fisión nuclear controlada, el cual se aprovecha para generar electricidad, producir radioisótopos y hacer investigaciones científicas.

Para su funcionamiento, el reactor requiere de un combustible: uranio y torio son los elementos más adecuados. Más adelante se verá por qué.

El átomo se compone de un núcleo y de electrones con cierta probabilidad de encontrarlos en un lugar determinado alrededor del núcleo. Éste está formado por dos tipos de partículas: los protones y los neutrones. Los protones tienen una masa de 1.673 X 10^-27 kg, ligeramente menor que la de los neutrones (1.675 X 10-²⁷ kg). Los protones están cargados positivamente, mientras que los neutrones no tienen carga.

La estructura de los núcleos atómicos depende del número de protones y neutrones de cada núcleo. El número de protones o número atómico se designa por la letra Z, y el número de nucleones (protones más neutrones) se llama número de masa o másico y se representa por la letra A. De manera que el número A-Z da el número de neutrones de un átomo. Por ejemplo, ²³⁸U₉₂ quiere decir uranio con Z=92 protones y A=238 nucleones, por lo tanto, A-Z=146 neutrones. En cambio, el ²³⁵U₉₂ tiene Z=92 protones y A-Z=143 neutrones. El primero, ²³⁸U₉₂, es el llamado uranio natural y es el que más abunda en la naturaleza. El ²³⁵U₉₂ tiene que enriquecerse, ya que se encuentra en una proporción de 0.7% mezclado con el uranio natural. Entre los procesos de enriquecimiento pueden mencionarse la difusión y la centrifugación; ambos requieren de una tecnología compleja.

En el método de difusión gaseosa se aprovecha el hecho de que como el ²³⁵U₉₂ es más ligero que el ²³⁸U₉₂, la velocidad de difusión del ²³⁵U₉₂ a través de una delgada capa (metal poroso) es más rápida. Para lograrlo, los óxidos sólidos de uranio se transforman en hexafluoruro de uranio (UF₆), compuesto que se puede convertir en vapor fácilmente. Como la concentración de uranio enriquecido (²³⁵U₉₂) aumenta lentamente, es necesario repetir el proceso de difusión muchas veces con ayuda de bombas y condensadores.

El proceso de enriquecimiento por centrifugación se basa en que el gas de hexafluoruro de uranio (UF₆) —que contiene tanto uranio natural (²³⁸U₉₂) como enriquecido (²³⁵U₉₂)—, al someterse a la centrifugación (como cuando nos metemos al torbellino en una feria), desplaza a los bordes el uranio natural más pesado y deja más cerca del centro al uranio enriquecido, que es más ligero. El uranio ligeramente enriquecido se recoge mediante unas tuberías y se vuelve a centrifugar. Este procedimiento se repite varias veces hasta conseguir la concentración adecuada. La ventaja del método de centrifugación es que consume la décima parte de energía que el de difusión.

El número atómico o de protones determina químicamente a un elemento, aunque cambie en número de neutrones; de manera que a un elemento con diferente número de neutrones pero igual número de protones se le llama isótopo. En el ejemplo anterior el uranio 235 y el 238 son dos isótopos del mismo elemento: uranio. Los isótopos son químicamente idénticos, pero su estructura nuclear es muy diferente. Tanto así, que los dos grandes grupos de reactores se dividen en los que utilizan uranio natural como combustible en forma de óxido de uranio (UO₂) y los que usan uranio enriquecido, como hexafluoruro de uranio (UF₆). La diferencia entre ambos sólo son tres neutrones.

Si pudiéramos colocar en una balanza de equilibrio las partículas que constituyen el núcleo, separadas en uno de los platos, y en el otro todo el núcleo, observaríamos un fenómeno interesante: el plato donde se encuentran las partículas que componen el núcleo separadas, pesará más. Esta diferencia de masa entre ambos estados se debe a la energía que mantiene unidos a los protones y los neutrones y se denomina energía de amarre. Dicha energía es la que se aprovecha al romper los núcleos atómicos y se calcula a partir de la fórmula de Einstein, E = mc², que establece la equivalencia entre masa y energía.

Cuando se hace incidir un haz de neutrones en un núcleo de uranio pueden ocurrir tres cosas: 1) una reacción de dispersión en la que, debido a colisiones elásticas o inelásticas, se da únicamente un intercambio de energía entre el núcleo y los neutrones; 2) una captura radiactiva, en la cual un neutrón es capturado (lento, en la mayoría de los casos), se emiten partículas gamma ( g) o fotones de alta energía y posteriormente el átomo radiactivo decae formando otro elemento, que a su vez emite partículas beta (b) o electrones; 3) una fisión nuclear, en la cual los núcleos de número másico elevado, y sólo éstos, absorben un neutrón. El elemento pesado, al absorber el neutrón provoca que las fuerzas nucleares de atracción entre protón-protón, neutrón-neutrón y protón-neutrón, sean comparables a las fuerzas de repulsión electrostáticas (o coulombianas) entre los protones cargados positivamente.

Es decir, la fisión consiste en el rompimiento de un núcleo atómico pesado para formar dos ligeros, proceso durante el cual se libera gran cantidad de energía (véase la figura 30).

Figura 30. Reacción en cadena de un núcleo de uranio enriquecido con moderador de neutrones.

El núcleo, como resultado de la colisión con el neutrón se rompe en dos núcleos de manera parecida a como ocurre cuando una gota de agua se divide en dos. En caso de que los neutrones incidentes sean lentos, los fragmentos de núcleo guardarán una relación de 2 a 3 respecto a su masa. Éste es el caso del bario y el kriptón, y en general de cualquier pareja de elementos altamente radiactivos. Los núcleos resultantes de la fisión se llaman productos de fisión (véase la figura 30).

En las reacciones de fisión se rompen generalmente núcleos de tono, uranio o plutonio. El resultado son dos núcleos ligeros y la liberación de una enorme cantidad de energía en forma de calor y, en algunos casos, otros neutrones.

La energía liberada al bombardear un núcleo de uranio-235 es de aproximadamente 200 MeV (megaelectrón- volts). Para tener una idea de lo que representa esta cifra, equivale a una energía tres millones de veces mayor que la liberada en la combustión de carbón. La mayor parte de la energía liberada (salvo la de los neutrinos) se convierte en calor (véase el cuadro IX).

CUADRO IX. Distribución aproximada de la energía liberada en la fisión de un núcleo radiactivo.

	MeV (megaelectrón-volts)
Energía cinética de los fragmentos de fisión	168
Energía instantánea de los rayos gamma (g)	7
Energía cinética de los neutrones de fisión	5
Partículas beta (b) de los productos de fisión	7
Rayos gamma (g) de los productos de fisión	6
Neutrinos (partículas sin carga y sin masa)	10
Total	203

Por otro lado, hay núclidos (núcleos característicos) fisionables únicamente con neutrones de mucha energía, llamados neutrones rápidos; éstos son el torio-232 y el uranio-238. En cambio, hay otros que se pueden romper con neutrones de cualquier energía y en particular con neutrones de baja energía, llamados neutrones lentos. Éstos son: uranio-233, uranio-235 y plutonio-239. A este último tipo de núcleos se les llama fisibles para distinguirlos de los primeros, llamados fisionables.

Los neutrones lentos tienen mayor probabilidad de provocar una reacción de fisión —según lo demostró Fermi—, ya que pasan cerca del núcleo radiactivo durante más tiempo (la sección eficaz de dispersión es mayor para los neutrones lentos).

La energía calorífica liberada en la fisión de un kilogramo de uranio-235 es de 81 X 10¹² joules y la de un kilogramo de plutonio-239 es de 79.5 X 10¹² joules.

Una reacción de fisión puede controlarse cuando se logra que en promedio se produzcan dos o tres neutrones capaces de chocar con otros núcleos de uranio. Éste es el proceso que ocurre en el interior de un reactor. La forma física de evaluarlo consiste en medir una cantidad llamada factor de reproducción, que es igual al cociente del número de neutrones producidos en un intervalo corto de tiempo, entre los neutrones absorbidos por cualquier proceso más los neutrones perdidos también en ese intervalo. Si este valor, designado por la letra k, es igual a 1, el reactor se denomina crítico; si es menor o mayor que 1 se llama subcrítico o supercrítico, respectivamente.

La cantidad mínima de combustible necesaria para producir una reacción en cadena controlada, en el caso de un reactor, o sin control, cuando se trata de una bomba atómica, se denomina masa crítica y de ésta dependen las dimensiones del reactor (debe haber cierta densidad de neutrones producidos). Para el uranio-235, en ciertas condiciones, la masa crítica es de aproximadamente 1 kg. Sin embargo, el uranio, tal y como se encuentra en la naturaleza, nunca puede alcanzar las condiciones críticas (afortunadamente).

Un reactor, para producir energía eléctrica funciona como sigue: la parte más importante del reactor es el núcleo. En él se encuentran las barras de combustible, el moderador, el refrigerante, las barras de control, el reflector y la fuente de neutrones. Todos ellos están protegidos, para evitar que salgan las radiaciones, con una gruesa capa de acero llamada vasija del reactor y posteriormente una gruesa protección de concreto armado. Los componentes varían según el tipo de reactor. La fuente de neutrones puede ser de polonio-berilio o radón-berilio, emisores de partículas alfa (a), núcleos de helio. Ésta se acerca a las barras de combustible para iniciar la reacción nuclear.

Las barras de combustible están rodeadas de un material o sustancia llamado moderador. El moderador se encarga de frenar los neutrones para aumentar la posibilidad de producir fisiones nucleares. Como moderadores se utilizan el agua pesada (bióxido de deuterio), en los reactores canadienses CANDU, que operan con uranio natural, y agua natural en los reactores BWR y PWR (de agua hirviente y agua a presión, respectivamente), que trabajan con uranio enriquecido (véase la figura 31). También se utiliza berilio, óxido de berilio y carbón en forma de grafito. El reflector se encarga de reducir las pérdidas de neutrones en las paredes del núcleo del reactor. Las barras de control al sumergirse absorben gran cantidad de neutrones; éstas son generalmente de boro o cadmio, y su función es controlar la potencia del reactor al grado de poder pararlo inmediatamente.

Figura 31. Diagrama de un reactor de agua a presión (PWR). (FUENTE: CFE.)

El refrigerante es el fluido que absorbe el calor producido por la fisión y lo transporta fuera del núcleo del reactor. En algunos casos el moderador y el refrigerante son de la misma sustancia, por ejemplo, de agua; pero el refrigerante puede ser de sodio líquido, una mezcla de sodio y potasio, bióxido de carbono o helio.

El calor producido por la fisión se lleva fuera del núcleo (véase la figura 31) y mediante un intercambiador de calor (exceptuando el caso en que el refrigerante sea agua) se aprovecha dicho calor para producir vapor de agua, que va directamente a una turbina conectada a un generador, para así producir energía eléctrica.

Existen varios tipos de reactor: PWR (reactor de agua a presión y uranio enriquecido), BWR (reactor de agua hirviente y uranio enriquecido), CANDU (reactor de agua pesada como moderador que utiliza uranio natural y barras de combustible presurizadas), HTCR (reactor que usa como refrigerante helio gasificado a alta temperatura y grafito como moderador) y FBR (reactor rápido de cría, en el que a partir de neutrones rápidos se producen grandes cantidades de plutonio, más que el producido originalmente, de manera que no hay que recambiar las barras de combustible).

Cada tipo de reactor tiene ventajas y desventajas; sin embargo, una condición que todos deben satisfacer es la seguridad, es decir, una alta probabilidad de que no ocurran accidentes, ya que los productos de fisión son altamente radiactivos, lo que puede constituir una amenaza para cualquier forma de vida y afectar el medio. Por ello, la seguridad en los reactores es fundamental. Otro gran problema es el almacenamiento o el destino que se dé a los desechos radiactivos. Pese al rechazo social que ha ocasionado la energía nuclear por los accidentes ocurridos y por el destino de los desechos radiactivos, la tecnología nuclear es un recurso que se debe conocer y considerar dentro de las posibilidades energéticas, porque es un recurso real que proporciona a la población grandes cantidades de energía eléctrica. En el cuadro X se proporciona la radiación que recibe un ser humano en un año. Como puede observarse, la cantidad de radiación natural es superior a la artificial

CUADRO X. Radiación que recibe una persona anualmente.

Radiación	Milirems (mrem)
Radiación natural
Materiales terrestres	60
Rayos cósmicos (Sol y estrellas)	50
Materiales de construcción	5-15
Materiales terrestres	10
SUBTOTAL	125-135
Radiación del cuerpo humano por elementos radioactivos presentes en él	25
Radiación artíficial
Radiografías y fluoroscopías	40
Aparatos de televisión	5
Viajes en avión (más de 7 h)	5
Centrales nucleares	3
Relojes con carátula luminosa	2
SUBTOTAL	55
TOTAL	205-215
FUENTE: CFE, 1987

En el caso de México, se está construyendo la segunda unidad de la Central Nucleoeléctrica de Laguna Verde, Veracruz (es del tipo BWR). La primera ya genera 654 MW de potencia y es el primer reactor nuclear para producir electricidad que posee el país. La segunda unidad entrará en operación en pocos años y generará una cantidad similar de energía eléctrica.

También existen algunos reactores nucleares para experimentación, como el que tiene el Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares, en Salazar y el del Instituto de Investigaciones Nucleares, en la UNAM, pero todos éstos son reactores subcríticos.

VIII. 2. FUSIÓN NUCLEAR

En todas las estrellas y en el Sol, en particular, se llevan a cabo reacciones de fusión nuclear. A temperaturas de millones de grados los átomos se disocian y quedan cargados eléctricamente o ionizados en un estado de la materia que se denomina plasma. En estas condiciones se rompen las barreras que mantienen unidos a los electrones con el núcleo, los cuales se denominan coulombianas y se pueden unir los núcleos de los átomos, liberando grandes cantidades de energía.

En la fusión, las reacciones nucleares que ocurren en las estrellas se han reproducido en condiciones simplificadas y artificiales en los laboratorios terrestres. En una reacción de fusión dos núcleos de elementos ligeros como el hidrógeno se unen para formar uno pesado, con una energía de amarre mayor que cualquiera de los núcleos ligeros. Dado que la energía de amarre es mayor, hay un déficit de masa o una masa faltante, que se manifiesta de acuerdo con la fórmula de Einstein como una gran liberación de energía.

Los elementos e isótopos que se utilizan para producir una reacción de fusión son el deuterio, el tritio (isótopos del hidrógeno) y el helio (véase la figura 32). En los reactores de fusión, la reacción más conveniente en términos energéticos es la de deuterio y tritio. El primero se encuentra en el agua y el segundo se puede producir artificialmente a partir del litio. En términos de abundancia y costo, la reacción más conveniente es la de deuterio con deuterio.

Para vencer la repulsión electrostática de los núcleos de deuterio y tritio y poder fusionarlos se necesita alcanzar una temperatura superior a 50 millones de grados, temperatura de un plasma. Otras reacciones de fusión:



D + D He + n + 0.82 MeV

D + D T + H + 1.01 MeV

D + He He + H + 3.6 MeV

Figura 32. Reacción de fusión nuclear deuterio-tritio.

Para producir artificialmente una reacción de fusión se necesita vencer la fuerza de repulsión de los núcleos que se quieren fusionar. Esto sólo se ha logrado de dos maneras diferentes:

1) Elevando la temperatura del combustible de fusión a varias decenas de millones de grados, estado de la materia que se conoce con el nombre de plasma; en términos generales consiste en un gas cargado eléctricamente, en el cual las elevadas temperaturas hacen que se separen los electrones del gas. Sin embargo, a estas temperaturas no existe un material que pueda guardar al gas cargado o plasma. Para lograrlo se requieren grandes imanes eléctricos (electroimanes) y que el gas tenga la forma de un toro o dona. Sólo manteniendo estas condiciones, aproximadamente en pulsos de un segundo de duración, se puede producir una reacción de fusión, en la que haya ganancia de energía y ésta se pueda aprovechar. (En teoría se establece el criterio de Lawson, que señala que para un tipo de reacción el producto de la densidad del plasma por el tiempo de confinamiento debe ser igual a un valor mínimo). Este tipo de confinamiento se denomina magnético y el dispositivo más utilizado para lograrlo fue propuesto por los físicos soviéticos Igor E. Tamm y Andréi D. Sajarov, en 1950. Se denomina TOKAMAK, que es un acróstico de toroid (toroide), kamera (cámara), magnet (imán) y katushka (bobina).

En un TOKAMAK se utiliza un gran electroimán o transformador de corriente, en el cual se aplica un voltaje en el llamado primario y por inducción se produce una corriente en el secundario. En el caso del TOKAMAK, el secundario es el plasma donde se va a llevar a cabo la fusión nuclear. Como no existe ningún material que pueda soportar las temperaturas de un plasma, se ha propuesto la forma de dona o toro. Como debe ser el plasma el que haga las veces de secundario y no el recipiente metálico que lo contiene, se colocan cuatro anillos dieléctricos que cortan la dona en cuatro (llamados cortes poloidales) para que la corriente se interrumpa en el recipiente metálico que contiene el plasma. Un segundo problema es evitar que el plasma de fusión toque las paredes del recipiente, lo cual se ha resuelto colocando una bobina enrollada en la dona para que forme un campo magnético muy intenso y el plasma quede confinado magnéticamente en una segunda dona más pequeña que no toca las paredes del contenedor (véase la figura 33).

Figura 33. Diagrama esquemático de un TOKAMAK. Reactor de fusión por confinamiento magnético.

En México se ha construido en el Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares un TOKAMAK experimental llamado Novillo.

Hasta ahora, en la mayoría de los TOKAMAK los tiempos de confinamiento han sido de milésimas de segundo, razón por la cual se ha invertido más energía en calentar el plasma que la que se obtiene de la fusión nuclear.

2) Otra forma de lograr una reacción de fusión es el método de confinamiento inercial. En la fusión por el método de confinamiento inercial se ha utilizado un láser muy potente (de 30 000 000 000 de watts) que se parte en varios rayos y el pulso tiene una duración de una mil millonésima de segundo. Los "brazos" del láser se hacen incidir en una minúscula pelotita que contiene deuterio y tritio. El láser provoca un gran aumento repentino de la presión y temperatura en la cápsula con deuterio y tritio, y la fuerza de inercia comprime a los núcleos hasta lograr la fusión.

Hasta ahora no se ha logrado construir un reactor de fusión comercial, esto es, que sea capaz de producir energía eléctrica. Sin embargo, en Inglaterra se han obtenido progresos considerables. En Rusia se tienen grandes TOKAMAK, al igual que en Japón. En relación con los sistemas de confinamiento inercial, en el Lawrence Livermore Laboratory, en California, funcionan los dos grandes láseres de fusión llamados Shiva y Nova.

Entre las reacciones de fusión más convenientes, la de deuterio-tritio tiene la ventaja de que el deuterio se encuentra en forma abundante en la naturaleza y el tritio se puede producir a partir del litio como ya se había mencionado anteriormente.

Una de las grandes ventajas de la fusión controlada es la escasa radiación producida, así como la corta vida de los elementos radiactivos como el tritio (isótopo del hidrógeno), que en realidad es el único producto radiactivo de las reacciones de fusión, los neutrones que decaen en átomos de hidrógeno y los productos radiactivos que se producen cuando los neutrones chocan con las paredes del contenedor, que dependen de la estructura del mismo. Todo lo anterior, sin considerar que se produce (en el caso de la reacción deuterio-tritio) cuatro veces más energía que en la fisión nuclear. Basta esperar que se den las condiciones de ignición del reactor, es decir, que se produzca más energía de la que se invierte para lograr la fusión.

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