Significado de energía nuclear Definición, y diferencia entre fisión y fusión nuclear
Licenciada en Física
Definición formal
La energía nuclear es el resultado de procesos asociados al núcleo atómico, ya sea la fisión o fragmentación del mismo, o la fusión nuclear, entendido como la unión de núcleos ligeros para formar uno mayor. Ambos procesos producen una gran cantidad de energía, aunque de maneras diferentes.
Los reactores nucleares son instalaciones en las cuales la energía proveniente de la fisión controlada de ciertos núcleos, se libera y transforma en energía eléctrica. El Sol, por su parte, lleva a cabo procesos de fusión nuclear en su interior, combinando núcleos de hidrógeno para crear helio.
La energía generada por la fusión nuclear en el interior del Sol, genera una presión del centro hacia afuera, que equilibra la fuerza de la gravedad, cuya tendencia es comprimir la estrella. De esas reacciones proviene la enorme energía liberada por el Sol, que llega a la Tierra en forma de luz y calor.
El descubrimiento del núcleo atómico y del protón ocurrió a comienzos del siglo XX y se debe el físico neozelandés Ernest Rutherford, quien predijo asimismo la existencia del neutrón, hallado experimentalmente un tiempo después.
Pero fue durante la Segunda Guerra Mundial, que el físico italiano Enrico Fermi descubrió que el núcleo podía liberar una gran cantidad de energía, mediante una reacción en cadena sostenida, dando lugar a la era nuclear.
Elementos y variables presentes
El núcleo del átomo consta principalmente de dos clases de partículas: los protones, que tienen carga eléctrica positiva y los neutrones, que carecen de carga. Son conocidos genéricamente como nucleones. Entre los protones aparece una fuerza de repulsión, debido a que son cargas del mismo signo, y como es sabido, tienden a repelerse.
Si la fuerza electromagnética fuese la única interacción entre los protones, el núcleo no podría existir, puesto que los protones se encuentran allí en estrecho contacto. Afortunadamente hay otras dos fuerzas, de corto alcance, llamadas respectivamente interacción nuclear fuerte e interacción nuclear débil, que se encargan de contrarrestar la repulsión. Asociada a estas fuerzas existe una energía conocida como energía de enlace.
Cada tipo de átomo tiene un determinado número de nucleones, pero ocurre que la masa del núcleo M, es menor a la suma de la masa en reposo de cada partícula constituyente ∑mi. Por lo tanto,
Δm = ∑mi − M
A esto se le conoce como defecto de masa y se denota Δm.
Usando la famosa ecuación de Einstein que relaciona masa y energía E, se desprende que la energía asociada al defecto de masa es
E = Δm∙c2
Donde c es la velocidad de la luz en el vacío.
Esta es la energía de enlace característica de cada núcleo, necesaria para mantener su cohesión. Y cuando es liberada, se produce una gran cantidad de radiación electromagnética.
Tipos de energía nuclear
Hay dos clases de procesos a nivel del núcleo atómico que producen energía: la fisión nuclear y la fusión nuclear. La energía obtenida de cualquiera de estas dos formas es mucho mayor a la que se obtiene a través de los combustibles fósiles y no produce gases de efecto invernadero.
De los dos procesos, es la fusión la que produce una cantidad mayor de energía, sin los subproductos radiactivos de la fisión.
Además, los núcleos atómicos tiene sus características particulares: los núcleos más ligeros, desde el hidrógeno hasta el hierro, liberan energía en procesos de fusión, mientras que los núcleos pesados, como el uranio, la liberan durante la fisión.
Diferencia de la Fisión nuclear
Este proceso consiste en fragmentar un núcleo pesado, bombardeándolo con neutrones para fisionarlo en dos núcleos. La suma de las masas de los núcleos resultantes es menor que la masa del núcleo original y la diferencia es la energía obtenida.
Durante la reacción se emiten 2 o 3 neutrones, y alguno conseguirá chocar con otro núcleo del material. Como el neutrón no experimenta repulsión electromagnét58ica, puede fragmentar este otro núcleo y generar así una reacción en cadena de fisión.
Los elementos utilizables con este propósito son el uranio-235, un isótopo del uranio que es fisionable naturalmente pero escaso, el uranio-238 cuando es bombardeado con neutrones lentos y el plutonio-239, un subproducto de la fisión del uranio, que a su vez es fisionable.
El principal inconveniente, y que causa gran temor a las personas acerca de esta energía, es la peligrosidad de los desechos producidos en las centrales nucleares, ya que siguen siendo radiactivos durante cientos de años. La radiación es capaz de causar daños a las células e incluso causar la muerte si la exposición es grande.
Diferencia de la Fusión nuclear
La fusión nuclear ocurre entre núcleos ligeros, por lo general el hidrógeno y sus isótopos, que se unen para formar helio, liberando energía y partículas durante el proceso.
La vida en la Tierra se debe a la fusión que tiene lugar en el Sol, allí la estrella fusiona hidrógeno para producir helio y energía en forma de radiación electromagnética.
La fusión se produce siempre que se logre vencer la natural repulsión electromagnética de los protones del núcleo. Una manera es mediante altas temperaturas (mayores a 116 x106 K), como las que se producen en el Sol, generando así un plasma extremadamente caliente y neutro, que consta de electrones y núcleos de hidrógeno, que son protones.
Este plasma debe confinarse para dar tiempo a que se produzca la fusión y su densidad debe ser lo suficientemente elevada, para lograr la proximidad necesaria entre los núcleos. Y tendría que hacerse en un recipiente capaz de resistir las elevadas temperaturas.
En vez de eso, se utiliza un campo magnético para contener el plasma sin que entre en contacto con las paredes del contenedor. Las partículas cargadas del plasma responden al campo siguiendo una trayectoria helicoidal sobre las líneas de este.
Se han creado varios dispositivos para lograr esto, el más utilizado y más prometedor es el llamado tokamak, diseñado originalmente en la antigua URSS.
Otra alternativa es el confinamiento inercial, que emplea láseres para elevar la densidad del plasma hasta iniciar la fusión en el centro.
Pese a los desafíos tecnológicos que implica la construcción de un reactor de fusión, este proceso tiene ventajas importantes sobre la fisión:
– Se obtiene mucha más energía
– No se producen desechos radiactivos
– El combustible requerido es abundante y poco costoso: hidrógeno y litio.
En resumen, la fusión nuclear controlada es el sueño de los científicos para lograr, a futuro, energía en abundancia, con pocos riesgos y a bajo coste.
Trabajo publicado en: Jun., 2021.
