historia energía nuclear
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Energía Nuclear
Toda la materia del universo está formada por moléculas que a su vez están constituidas
por átomos, pequeñísimas unidades que durante muchos tiempo se consideraron
invisibles. En la actualidad sabemos que el átomo está constituido fundamentalmente, por
un núcleo compuesto de protones, neutrones y electrones que giran alrededor de éste.
Los protones y los neutrones están constituidos por quarks.
El protón y el neutrón tienen prácticamente la misma masa, pero difieren en que el
primero posee una carga eléctrica positiva (+), mientras que el segundo carece de carga.
Protones y neutrones fuertemente unidos entre sí, integran lo que se denomina el núcleo
del átomo. Por eso se les llama nucleones.
La masa del núcleo es casi igual a la suma de las masas de los nucleones que lo
componen. La carga eléctrica total del núcleo es positiva y es igual a la suma de las
cargas de sus protones.
El tercer tipo de partícula del átomo es el electrón, el cual es 1840 veces más ligero que el
protón y posee una carga eléctrica negativa (-).
Los electrones se localizan girando alrededor del núcleo, formando lo que pudiéramos
llamar una “nube difusa”. La cantidad de electrones de un átomo es igual al número de
protones que contiene el núcleo, razón por la cual sus cargas eléctricas se encuentran
balanceadas.
Un enorme vacío separa a los electrones del núcleo atómico. Esto puede explicarse
recurriendo a la analogía entre el átomo de hidrogeno (el más simple que existe, pues
está compuesto por un solo protón y un electrón) y nuestro Sistema Solar. Si pudiéramos
amplificar al protón que constituye el núcleo de este átomo al tamaño del Sol, su único
electrón se encontraría girando a una distancia 30 veces mayor que la que existe entre
este astro y la Tierra.
En la naturaleza se conocen 103 elementos químicos plenamente identificados, cada
elemento está formado por átomos del mismo número atómico, pero que pueden tener
diferente número de masa. Estos elementos se originan de 272 átomos estables con
distintos números de masa.
Estos átomos de un mismo elemento reciben el nombre de isótopos. Así, el elemento
uranio, con numero atómico 92, por ejemplo, tiene fundamentalmente dos isótopos
naturales, cuyos números de masa son 235 y 238.
La energía nuclear está localizada en los núcleos de los átomos. Una reacción nuclear
consiste en la modificación de la cantidad de nucleones en un núcleo o su redistribución
en nuevos núcleos.
Así, es común referirse a la energía nuclear no sólo como el resultado de una reacción
sino como un concepto más amplio que incluye los conocimientos y técnicas que permiten
la utilización de esta energía por parte del ser humano. Los tres sistemas más
investigados y trabajados para la obtención de energía aprovechable a partir de la energía
nuclear son el decaimiento radiactivo, la fisión nuclear y la fusión nuclear.
Decaimiento Radioactivo
Es un proceso complejo en el cual el núcleo de un átomo emite a lo menos una partícula y
puede o no transformarse en otro elemento químico. Tiene su origen en el núcleo atómico
y está íntimamente relacionado con la estabilidad nuclear. La partícula emitida puede ser:
radiación gamma (γ).
radiación alfa (α).
radiación beta (ß).
Fisión Nuclear
Es una reacción nuclear, lo que significa que tiene lugar en el núcleo atómico. La fisión
ocurre cuando un núcleo pesado captura un neutrón y se divide en dos o más núcleos
ligeros, además de algunos subproductos como neutrones libres, fotones (generalmente
rayos gamma) y otros fragmentos del núcleo como partículas alfa (núcleos de helio) y
beta (electrones y positrones) de alta energía.
La fisión se puede inducir por varios métodos, incluyendo el bombardeo del núcleo de un
átomo fisionable con una partícula de la carga y la energía correcta; esta partícula es
generalmente un neutrón libre. Este neutrón libre es absorbido por el núcleo, haciéndolo
inestable (como una pirámide de naranjas en el supermercado llega a ser inestable si
alguien lanza otra naranja en ella a la velocidad adecuada).
El núcleo inestable entonces se partirá en dos o más pedazos: los productos de la fisión
que incluyen dos núcleos más pequeños, hasta siete neutrones libres (con una media de
dos y medio por reacción), y algunos fotones.
Fusion Nuclear
La fusión es el proceso por el cual dos núcleos atómicos se unen para formar un núcleo
más pesado. Se acompaña de la liberación de una cantidad enorme de energía.
La fusión nuclear se produce de forma natural en las estrellas. La fusión artificial también
se ha logrado en varias instalaciones experimentales, aunque todavía no ha se ha podido
obtenerla de manera sostenida. La energía solar que se recibe en la tierra es de origen
nuclear.
¿Para que se utiliza?
La principal aplicación de la energía nuclear es mediante la fisión nuclear controlada en
reactores nucleares en los que se producen reacciones nucleares de fisión de manera
controlada y se aprovecha la energía con la que son liberados los productos de fisión, los
neutrones y los fotones que se producen en cada fisión.
Esas partículas, al frenarse en la materia que las rodea, producen energía térmica. Esta
energía térmica se transforma en energía mecánica utilizando turbinas de gas o de vapor.
Dicha energía puede ser empleada en el transporte, como por ejemplo en los buques
nucleares, generación de energía eléctrica en centrales nucleares, desalar agua de mar,
producir hidrogeno, o para calefacción.
La principal característica de este tipo de energía es la alta cantidad de energía que
puede producirse por unidad de masa de material utilizado como combustible.
Energía Nuclear en México
El desarrollo de la energía nuclear en México data de los años 70's, motivado por el auge
internacional que se vivía en la industria nuclear, particularmente en Estados Unidos. A
raíz de este interés, se construyó en el sureño estado de Veracruz, Laguna Verde, la
única planta nuclear en México. Cuenta con dos boiling water reactors (BWR-5. Reactores
de agua hirviendo) construidos por General Electric, utilizan dióxido de uranio como
combustible; y aunque México cuenta con importantes reservas de uranio (cerca de 8 mil
toneladas), no puede utilizarlas ni exportarlas. Esta prohibición obedece al Tratado de
Tlateloco para la Proscripción de las Armas
Nucleares en América Latina y el Caribe, que entró en vigor en 19692.
Por lo tanto, para el uso de la planta, importa cerca de 25 toneladas anuales de este
mineral de Holanda y Estados Unidos. El primer reactor fue conectado a la red eléctrica
en 1989 y el segundo en 1995. Las turbinas de vapor y otros componentes de la planta
fueron elaborados por Mitsubishi Electric. Entre ambos reactores, producen hasta 1,365
MW, lo que representa solo el 2.6% de la capacidad instalada de energía eléctrica de un
total de 51,686 MW (en 2009). De este total, poco más del 70% son producidos con algún
tipo de hidrocarburo. La producción con fuentes renovables, excluyendo las grandes
hidroeléctricas (21.3%), representan menos del 2% (geotérmia 1.8%, éolica 0.16%).
Historia de la Energía Nuclear
En 1896, el físico francés Antoine-Henri Becquerel comprobó que determinadas
sustancias, como las sales de uranio, producían radiaciones penetrantes de origen
desconocido. Este fenómeno fue conocido como radioactividad.
Becquerel estaba trabajando en su laboratorio y dejó descuidadamente unas sales de
uranio junto a unas placas fotográficas que aparecieron posteriormente veladas, a pesar
de estar protegidas de la luz solar. Después de investigarlo se dio cuenta que el causante
fueron las placas era el uranio. Gracias a su descubrimiento Becquerel se convirtió en el
“padre de la energía nuclear”.
En la misma época, el matrimonio francés formado por Pierre y Marie Curie dedujeron con
sus investigaciones la existencia de otro elemento de actividad más elevada que el uranio,
que en honor a su patria fue llamado polonio. También fueron los descubridores de un
segundo elemento al que denominaron radio.
Estos tres elementos, por sus características, tomaran una gran importancia en el
desarrollo de la energía nuclear. Actualmente, el combustible de prácticamente todas las
centrales nucleares es el uranio.
Posteriormente, como resultado de las investigaciones de Rutherford y Soddy, se
demostraría que el uranio y otros elementos pesados, emitían tres tipos de radiaciones:
alfa, beta y gamma. Las dos primeras estaban constituidas por partículas cargadas,
comprobándose que las partículas alfa eran núcleos de átomos de helio y las partículas
beta eran electrones. Además, se comprobó que las radiaciones gamma eran de
naturaleza electromagnética.
El modelo atómico de Rutherford
El descubrimiento de la naturaleza de las radiaciones permitió a Rutherford estudiar la
estructura de la materia. Con sus experimentos pudo deducir que el átomo estaba
constituido por una zona central positiva donde se concentraba toda la masa y que los
electrones giraban en órbitas alrededor del núcleo, como si fuera un pequeño sistema
solar. Esto significaba que el átomo no era macizo como se creía hasta entonces.
El descubrimiento de la constante de Planck y la teoría cuántica
En 1900, el físico alemán Max Planck formuló que la energía se emite en pequeñas
unidades individuales conocidas como cuantos. Descubrió una constante de carácter
universal conocida como la constante de Planck, representada como h.
La ley de Planck establece que la energía de cada cuanto es igual a la frecuencia de la
radiación electromagnética multiplicada por dicha constante universal.
Los descubrimientos de Planck representaron el nacimiento de un nuevo campo para la
física, conocido como mecánica cuántica y proporcionaron las bases para la investigación
en campos como el de la energía nuclear.
La teoría de la relatividad de Albert Einstein
Albert Einstein es el científico más bien considerado de la historia del siglo XX. Einsten
propuso la conocida ecuación E=mc2 . Esta ecuación resultó ser revolucionaria para los
posteriores estudios de física nuclear, aunque en aquellos tiempos no se disponía de
medios para demostrarla experimentalmente. Así, E representa la energía y m la masa,
ambas interrelacionadas a través de la velocidad de la luz c. Esta ecuación relacionaba
las conversiones másicas de energía, de forma que se podía afirmar, que ambas
entidades eran distintas manifestaciones de una misma cosa.
El modelo atómico de Böhr
El físico danés Niels Böhr desarrolló en 1913 una hipótesis, según la cual los electrones
estaban distribuidos en capas definidas (o niveles cuánticos) a cierta distancia del núcleo.
De este modo se constituía la configuración electrónica de los distintos elementos.
Para Böhr, los electrones giraban en órbitas estacionarias desde las que no se emitía
ninguna radiación. De este modo, se enterraba el viejo concepto del átomo como algo
indivisible, inerte y simple, y apareciendo la hipótesis de una estructura compleja que
daría posteriormente complicadas manifestaciones energéticas.
El descubrimiento del neutrón
El descubrimiento del neutrón fue realizado por James Chadwick en 1932. Chadwick
“midió” la masa de la nueva partícula deduciendo que era similar a la del protón pero con
carga eléctricamente neutra. Así, se observó que el núcleo atómico estaba compuesto por
neutrones y protones, siendo el número de protones igual al de electrones.
Con su descubrimiento, Chadwick consiguió un “proyectil” de características ideales para
provocar reacciones nucleares.
El descubrimiento de la radioactividad artificial
El matrimonio formado por Frédèric Joliot e Irene Curie fueron los descubridores de la
radioactividad artificial.
Las conclusiones a las que llegó el matrimonio Joliot-Curie, se basaban en la idea de que
la radioactividad, hasta entonces de carácter natural, podía ser producida por el hombre,
construyendo elementos radiactivos mediante el bombardeo con partículas alfa de
algunos elementos químicos.
El descubrimiento de la fisión nuclear
A finales de 1938, en los umbrales de la Segunda Guerra Mundial, un equipo de
investigadores alemanes en el Kaiser Wilhem Institut de Berlín, integrado por Otto Hahn,
Fritz Strassmann, Lisa Meitner y Otto Frisch, interpretó el fenómeno de la fisión nuclear, a
través de la identificación del elemento bario como consecuencia de la escisión del núcleo
de uranio.
la fisión nuclear emite energíaLos primeros estudios sobre la fisión nuclear fueron
llevados a cabo por Otto Hahn y Lise Meitner, basándose en los resultados obtenidos por
el matrimonio Joliot-Curie, que mediante análisis muy cuidadosos, encontraron un
elemento de número atómico intermedio en una muestra de uranio bombardeado con
neutrones.
Lise Meitner y Otto Frisch pudieron deducir que al bombardear el uranio con neutrones,
éste capturaba un neutrón y se dividía en dos fragmentos, emitiendo de una gran cantidad
de energía. Era el descubrimiento de la la fisión nuclear.
La bomba atómica
Muchos de los grandes inventos de la historia tienen un origen militar. El caso de la
energía nuclear no es una excepción.
El Proyecto Manhattan
En 1939, en los inicios de la Segunda Guerra Mundial, Albert Einstein recomienda al
presidente de los Estados Unidos, F. D. Roosevelt, el desarrollo de la bomba atómica.
Einstein explicaba que gracias a los trabajos de investigación llevados a cabo por Enrico
Fermi y Leo Szilard, en los Estados Unidos, y por Frédéric Joliot y su esposa Irene Joliot-
Curie, en Francia, era casi seguro que muy pronto fuera posible desencadenar una
reacción nuclear en cadena que permitiera liberar unas grandes cantidades de energía.
Este procedimiento permitiría también la construcción de una nueva clase de bombas.
Einstein mencionaba también la escasez de reservas de uranio de los Estados Unidos y
que las minas de este mineral se encontraban en la antigua Checoslovaquia y en el
Congo Belga. Propuso la colaboración entre científicos y la industria para desarrollar lo
más pronto posible la mencionada bomba atómica.
Además, informó que Alemania había suspendido la venta de uranio de las minas checas,
de las que el Reich se había hecho cargo. Este hecho podría significar que los científicos
del Instituto Kaiser Wilhelm podrían estar llevando a cabo experimentos de fisión nuclear,
también.
El miedo de Albert Einstein a la guerra nuclear era consecuencia de su profundo
conocimiento de los avances de la investigación en este campo. Tuvo que emigrar a
Estados Unidos en 1933, desde Alemania, al comienzo de la persecución de los judíos.
De la carta de Albert Einstein:
“Trabajos recientes de E. Fermi y L. S. Szilard... me permiten suponer que el elemento
químico uranio... puede convertirse en una nueva fuente energética muy importante...
Durante los últimos cuatro meses la posibilidad de llevar a cabo una reacción nuclear en
cadena mediante una gran cantidad de uranio, ha aumentado; esta reacción daría lugar a
grandes cantidades de energía y a nuevos elementos semejantes al radio... Ese nuevo
fenómeno conduciría también a la construcción de bombas...
Teniendo en cuenta esta situación parece aconsejable mantener un cierto contacto entre
el gobierno y el grupo de físicos que trabaja en América con reacciones en cadena.
Un camino posible para lograrlo podría ser que usted trasladase este encargo a una
persona de su confianza.
Sus tareas podían ser en este aspecto las siguientes: ... asegurar el suministro de uranio
de los Estados Unidos... acelerar los trabajos experimentales... obtener fondos...”
Roosevelt acogió la carta de Einstein sin excesiva ilusión, aunque creó una comisión para
que se encargara de las cuestiones mencionadas por el científico en la misma.
Entre 1940 y 1941 empezaron a realizarse medidas en sistemas de uranio-grafito. Glen
Seaborg descubrió, a finales de 1940, un elemento artificial, el plutonio-239, que podría
emplearse para la fabricación posterior de la bomba atómica.
La fabricación de la bomba fue confiada al ejército, en un proyecto bélico que costaría
alrededor de 2.500 millones de dólares. El programa contemplaba dos alternativas: la
separación del uranio-235 del uranio-238, y la producción de plutonio-239 en los reactores
de grafito.
El 2 de diciembre de 1942, un grupo de físicos nucleares europeos, emigrados a los
Estados Unidos y dirigidos por el físico italiano Enrico Fermi, ponían en marcha la primera
reacción nuclear en cadena producida por el hombre en la historia de la energía nuclear
con la intención de aplicar por primera vez la energía nuclear. El reactor nuclear
empleado, conocido como Chicago Pile (CP-1), era de estructura sencilla, y se instaló
bajo la tribuna del estadio de fútbol americano de la Universidad de Chicago. Se empleó
combustible de uranio, como el que Fermi empleaba en sus experimentos en Roma, y
moderador de grafito.
Los preparativos para este experimento fueron llevados a cabo con gran secreto. El
objetivo de la investigación era la obtención de una reacción en cadena –en principio
controlada– que permitiera el estudio de sus propiedades en vistas al posible desarrollo
de una bomba atómica.
La reacción en cadena de fisión se inició una vez se extrajeron con mucho cuidado las
barras de control. En este momento, entró en funcionamiento el primer reactor nuclear de
la historia de la energía nuclear.
En 1943 fueron levantadas tres ciudades llenas de instalaciones de investigación: Oak
Ridge (Tennesse) para separar el uranio-235 del uranio-238, Hanford para el
establecimiento de los reactores nucleares, y Los Álamos para la construcción de la
bomba atómica. Robert Oppenheimer fue nombrado director del laboratorio de Los
Álamos, consiguiendo reunir a cerca de mil científicos que permanecerían allí hasta seis
meses después de acabada la contienda.
En la madrugada del 16 de julio de 1945, se llevó a cabo la primera prueba de la bomba
atómica de plutonio en el desierto de Álamogordo (Nuevo México), y resultó ser un
completo éxito.
La bomba atómica de uranio y la de plutonio estuvieron listas al mismo tiempo. La
primera, denominada Little Boy, constaba de dos masas de uranio-235 que se
proyectaban una sobre otra con explosivos convencionales.
La segunda, Fat Man, consistía en una esfera hueca de plutonio que colapsaba sobre su
centro por la acción de explosivos convencionales
El 6 de agosto de 1945, se lanzaron las dos bombas nucleares que alterar ían el rumbo de
la historia. Little Boy fue lanzada sobre Hiroshima desde el avión Enola Gay, y el 9 de
agosto, Fat Man fue arrojada sobre Nagasaki.
La nube de hongo creada por la bomba Fat Man como resultado de la explosión nuclear
sobre Nagasaki
Las ciudades japonesas de Hiroshima y Nagasaki se convirtieron así en los primeros y
hasta el momento los únicos objetivos de un ataque con bombas atómicas de la historia.
Las condiciones para la construcción de una bomba atómica, en la que trabajaron –sin
éxito– durante la Segunda Guerra Mundial algunos físicos soviéticos, como Igor
Vasilievich Kurchatov, fueron más estrictas de lo que se necesita para conseguir el
funcionamiento con éxito de un reactor nuclear.
La energía liberada durante una detonación de este tipo se reparte aproximadamente en
un 35% de radiación térmica, un 50% de presión y un 15% de radiación nuclear. Este
proceso hace que se alcancen temperaturas de hasta 14 millones de grados centígrados.
La bomba de Hiroshima liberó 23,2 millones de KWh.
La energía nuclear después de la Segunda Guerra Mundial
Tras el fin de la II Guerra Mundial, Norteamérica ostentaba la supremacía bélica debido a
su considerable potencial atómico. La complejidad existente en torno a las cuestiones
bélicas y civiles de la energía nuclear, exigía el establecimiento de una articulación legal
para las aplicaciones civiles en el país, y una regulación internacional a todos los niveles.
Aunque tuvieron lugar varias reuniones de carácter internacional, los Estados Unidos se
resistían a perder su protagonismo, y así lo hizo saber el Presidente Truman al declarar:
“Debemos constituirnos en guardianes de esta nueva fuerza, a fin de impedir su empleo
nefasto, y de dirigirla para el bien de la Humanidad [...]”.
En 1946, se presentó en las Naciones Unidas el plan norteamericano, que consistía en
una liberación gradual de los secretos, fábricas y bombas nucleares, cediendo todo ello al
organismo, a cambio de un control e inspección internacional.
Este control no fue bien recibido por la antigua Unión Soviética, cuyo representante,
Andrei Gromiko, presentó una contrapropuesta en la que se prohibía la construcción de
armas atómicas y se exigía la eliminación de las existentes a corto plazo. Después de
varios años de negociaciones, este primer plan de no proliferación nuclear fue un fracaso.
El Plan Marshall
En junio de 1947, nacía el Plan Marshall como una iniciativa de ayuda económica dentro
de la política estadounidense de contención del control soviético, al que se vieron
sometidos los Estados de Europa Central y Oriental, detrás de lo que se denominó “telón
de acero”. Este plan fue el disparador histórico de la Guerra Fría en la que se sucedieron
una serie de enfrentamientos entre estas dos superpotencias.
Nautilus es el primer submarino propulsado con energía nuclearAños más tarde, los
Estados Unidos construyeron varios reactores de plutonio, y en 1953, entró en
funcionamiento el prototipo en tierra del reactor del Nautilus, el primer submarino nuclear.
La primera bomba atómica soviética
Estos hechos acentuaron la tensa situación provocada por la explosión de la Bomba H
soviética. La idea de crear esta bomba era hacer un gran recipiente cil índrico con la
bomba atómica en un extremo y el combustible de hidrógeno en el otro. El estallido de la
bomba atómica proporcionaría una cantidad de radiación con presión suficiente para
comprimir y encender el hidrógeno.
Después de los esquemas preliminares de 1951, la bomba estuvo lista a principios de
1952, de modo que en noviembre de este mismo año, se ensayó pulverizando la Isla de
Elugelab, en el Océano Pacífico. Su potencia resultó ser 700 veces superior a la de la
bomba atómica de Hiroshima.
El 8 de diciembre de 1953, los Estados Unidos se dirigieron a las Naciones Unidas para
denunciar el equilibrio de terror en que vivía la población mundial, advirtiendo que si
Norteamérica era atacada con armas nucleares, la respuesta sería destruir al agresor de
forma inmediata.
Aprovechamiento de la energía nuclear para usos pacíficos
Con la intención de suavizar esta situación, se organizaron una serie de conferencias
internacionales de carácter técnico sobre los usos pacíficos de la energía nuclear. En esta
ocasión, las conversaciones entre los países desarrollados con un importante potencial
atómico fueron un completo éxito.
Aprovechando la nueva situación, el presidente norteamericano Eisenhower expuso
entonces en las Naciones Unidas su programa de cooperación internacional “Atoms for
Peace”. A partir de dicho programa, se liberaron una serie de conocimientos científicos y
tecnológicos que permitirían la posterior explotación comercial de la energía nuclear.
El discurso, que en diciembre de 2013 cumplió 60 años, y que fue pronunciado en un
momento de guerra fría, proponía un acuerdo entre las grandes potencias para detener y
reducir la fabricación de armamento nuclear y dar a conocer a toda la humanidad los
conocimientos y medios materiales, especialmente los combustibles nucleares, para su
uso con fines pacíficos.
Además, se favoreció la creación de organismos internacionales como el Organismo
Internacional de Energía Atómica (OIEA), en 1957, con sede en Viena, y la Agencia de
Energía Nuclear (AEN) integrada en la Organización para la Cooperación y el Desarrollo
Económico (OCDE), con sede en París.
No obstante, países como Reino Unido y la antigua Unión Soviética, habían comenzado
ya sus investigaciones destinadas al despliegue comercial de la energía nuclear.
Central de energía nuclear Calder HallEn 1956, los británicos inauguraron la primera
central nuclear de la historia en Calder Hall, dando origen a una serie de reactores
conocidos como de grafito-gas.
En 1963, General Electric fue la empresa encargada de construir una central de agua en
ebullición estrictamente comercial (Oyster Creek I), lo que supuso el principio de la
avalancha de solicitudes de construcción de centrales nucleares, fábricas de elementos
de combustible, y la investigación de métodos de almacenamiento y pequeñas plantas de
reelaboración.
Tratado definitivo de No Proliferación Nuclear
En 1967, el OIEA organizó un grupo de análisis de todos aquellos problemas técnicos que
pudiera contener un Tratado de No Proliferación Nuclear, que entraría en vigor en 1972.
Los países firmantes acordaron no transferir armas nucleares ni colaborar para su
fabricación, y se comprometieron a establecer las salvaguardias necesarias para su
cumplimiento.
Bibliografía
http://sociedadnuclear.org.mx/wp-content/uploads/2012/02/tema-1_16feb2012.pdf
http://energia-nuclear.net/que-es-la-energia-nuclear/historia
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