Definición de Energía Nuclear

La energía nuclear es una forma de energía que se obtiene a partir de reacciones nucleares como la fisión o la fusión. También, se le conoce así al uso que se le da a este tipo de energía para transformarla en energías de otro tipo; su aplicación más utilizada es para generar electricidad.

Ángel Zamora Ramírez | Julio 2022
Licenciado en Física

Al leer el término “Energía Nuclear” probablemente vengan a la cabeza eventos como los de Hiroshima y Nagasaki, catástrofes como las de Chernóbil, o quizá una imagen de una planta nuclear en algún “reportaje” en donde se jura que la energía nuclear es peligrosa y dañina. Contrario a la mala fama que injustamente tiene, la energía nuclear es el tipo de energía más eficiente que tenemos y una de las más limpias que existen, siendo obtenida a partir de reacciones de fisión nuclear y fusión nuclear.

Fisión nuclear

Se dice que existe fisión nuclear cuando un núcleo atómico se divide para dar lugar a dos núcleos diferentes. Para que se desate un evento de fisión nuclear se necesita un neutrón que impacte con un núcleo atómico para ser capturado por este, si esta captura da lugar a un isótopo lo suficientemente inestable se dará pie a la división del núcleo atómico.

El núcleo atómico está compuesto por protones y neutrones entre los cuales actúan dos fuerzas que en equilibrio le dan estructura al núcleo, por un lado, se tiene una repulsión eléctrica entre los protones debido a que poseen carga positiva, por otro lado, la fuerza nuclear fuerte mantiene unidos a los protones y neutrones evitando que la repulsión eléctrica separe el núcleo atómico. Si el neutrón capturado desestabiliza lo suficiente el núcleo atómico la repulsión eléctrica hará lo suyo y se encargará de separar el núcleo.

Un claro ejemplo de este proceso es la fisión del isótopo de Uranio-235 (\({}_{92}^{235}U\)), dicho proceso se ve de la siguiente manera:

\({}_{92}^{235}U + n \to {}_{92}^{236}{U^*} \to {}_{54}^{140}Xe + {}_{38}^{94}Sr + 2n\)

Donde las \(n\) representan a los neutrones, los subíndices corresponden al número atómico (\(Z\)) y los superíndices al número de masa (\(A\)), es decir, a la suma del número de protones y neutrones en el núcleo. En este caso la captura del neutrón por parte del Uranio-235 (\({}_{92}^{235}U\)) da lugar a un núcleo inestable de Uranio-236 (\({}_{92}^{236}{U^*}\)) el cual se fisiona para dar lugar a un núcleo de Xenón-140 (\({}_{54}^{140}Xe\)), a otro núcleo de Estroncio-94 (\({}_{38}^{94}Sr\)) y dos neutrones.

Reactores Nucleares

Un reactor nuclear es una fuente de energía bastante eficiente basada actualmente en la fisión nuclear. Un sólo gramo de \({}_{92}^{235}U\) por día es capaz de producir casi 1 millón de Watts de potencia, para hacer una comparación, aproximadamente 2.6 toneladas de carbón tendrían que quemarse por día para poder igualar dicha potencia en una planta convencional.

Pero, ¿De dónde surge la energía producida en la fisión nuclear? Si uno analiza más profundamente el ejemplo del Uranio-235 podrá darse cuenta que inicialmente se tiene una masa de 235.043922 umas para el \({}_{92}^{235}U\) y una masa de 1.008665 umas para el neutrón, ambas forman una masa conjunta de 236.052587 umas, sin embargo, después de que el neutrón es capturado para formar el núcleo de \({}_{92}^{236}{U^*}\) este tiene una masa de 236.045562 umas, como podremos darnos cuenta, hay una diferencia de masa equivalente a\(\;7.025 \times {10^{ - 3}}\;umas\) entre el estado inicial y el estado final. Al llegar a los productos finales se tiene una masa conjunta de 235.854332 umas que otra vez supone una diferencia de 0.191230 umas respecto al estado anterior.

La diferencia de masas entre cada una de las fases de la reacción nuclear se almacena o se libera en forma de energía, la cual de acuerdo con la famosa fórmula de Einstein tiene la forma:

\(E = {\rm{\Delta }}m{c^2}\)

Donde \(E\) es la energía, \({\rm{\Delta }}m\) es la diferencia de masas y \(c\) es la velocidad de la luz.
Un reactor nuclear básicamente lo que hace es aprovechar la energía liberada en estos eventos de fisión nuclear y utilizar los neutrones obtenidos de estos para fisionar otros átomos creando así lo que se conoce como “reacción en cadena”. La energía liberada en todo el proceso es convertida en calor el cual es removido por algún gas o líquido que actúa como refrigerante. El refrigerante que ahora está caliente se utiliza para hervir agua, el vapor de agua finalmente se encarga de mover una turbina que acciona un generador eléctrico.

Fusión nuclear

Hasta ahora hemos hablado exclusivamente de la energía nuclear obtenida a partir de fisión nuclear, sin embargo, nos falta hablar del proceso opuesto. La fusión nuclear ocurre cuando dos núcleos atómicos se unen para formar un núcleo más pesado, en este proceso de fusión también se liberan grandes cantidades de energía.

En la fusión nuclear dos núcleos atómicos tienen que superar la repulsión eléctrica que se da entre ambos debido a la carga positiva de sus protones, debido a esto es que los procesos de fusión nuclear pueden darse sólo en sistemas con muy altas temperaturas y sujetos a presiones enormes. Por esta razón es que todavía no existen plantas nucleares basadas en fusión nuclear, aunque ha habido varios avances al respecto últimamente.

A diferencia de la fisión nuclear la cual se lleva a cabo con núcleos muy pesados, la fusión nuclear es más eficiente entre núcleos ligeros como el Hidrógeno siendo el Hierro el límite donde la fusión nuclear puede ocurrir de manera espontánea, más allá del Hierro la energía liberada por fusión nuclear es menor que la energía absorbida por el sistema. Al igual que en la fisión nuclear, en los procesos de fusión nuclear la energía liberada también se debe a diferencia de masas entre los estados finales e iniciales.

Las estrellas son plantas termonucleares

Puede que alguna vez hayas volteado a ver las estrellas en el cielo nocturno y te hayas preguntado ¿Qué son las estrellas? O quizá también te has preguntado, ¿Por qué el Sol brilla y nos da calor?. Las estrellas como nuestro Sol son enormes esferas de plasma incandescente que brillan gracias a las reacciones de fusión nuclear que se llevan a cabo en sus núcleos. Se podría decir que la energía solar es en esencia energía nuclear producida en nuestro Sol.

El Hidrógeno, el cual fue creado desde el Big Bang, es el elemento más abundante del Universo. En muchas regiones del Universo el Hidrógeno existe en forma de grandes nubes, en estas nubes se forman “grumos” más pequeños que colapsan sobre su propia gravedad hasta que alcanzan una temperatura y una presión críticas en las cuales los átomos de Hidrógeno comienzan a fusionarse entre sí para formar Helio y átomos más pesados.

La existencia de átomos más pesados que el Hidrógeno como el Helio, el Carbono, el Oxígeno, el Nitrógeno, el Hierro, etc. se debe a que las estrellas se han encargado de sintetizar más elementos a partir de las reacciones nucleares que ocurren en sus núcleos. Las estrellas son las grandes plantas termonucleares del Cosmos.

 
 
 
 
Por: Ángel Zamora Ramírez. Licenciado en Física egresado de la Universidad de Colima. Estudiante de la Maestría en Ingeniería y Física Biomédicas del Cinvestav.
Art. actualizado: Julio 2022; sobre el original de noviembre, 2010.
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Referencias

Arthur Beiser. (2003). Concepts of Modern Physics. United States: McGraw-Hill Higher Education.

David Halliday, Robert Resnick & Jearl Walker. (2011). Fundamentals of Physics. United States: John Wiley & Sons, Inc.

David Bodansky. (2004). Nuclear Energy. Principles, Practices, and Prospects. United States: Springer.

Bradley W. Carroll, Dale A. Ostlie. (2014). An Introduction to Modern Astrophysics. Edinburgh: Pearson.
 
 
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