Se defina a la energía nuclear como aquella que se obtiene de las reacciones a nivel nuclear de ciertos elementos químicos. Aquéllas pueden ser espontáneas o provocadas. El elemento más conocido es el uranio, sin embargo, existen otros como el torio, plutonio, estroncio y polonio. Esta energía se produce de dos maneras: por el proceso de fusión o el de fisión.
Antes de describir estos procesos, recordemos algo de historia. Desde los antiguos griegos ya indicaban la existencia de partículas fundamentales, que actuaban como elementos constituyentes de la materia, prediciendo la existencia de unos átomos de diminuto tamaño y de diferentes tipos.
A finales del siglo XIX no se habían encontrado más datos sobre estos elementos, hasta que sir Joseph John Thomson (científico británico, 18 de diciembre de 1856 - 30 de agosto de 1940. Premio Nobel de Física de 1906), junto a otros investigadores, halló en 1897 que los átomos no eran indivisibles como se creía, sino que podían ser separados en componentes más pequeños.
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| Sir Joseph John Thomson (Mánchester, Inglaterra, 18 de diciembre de 1856 - Cambridge, Inglaterra, 30 de agosto de 1940) |
Asimismo, descubrió su composición y la existencia de unas partículas que orbitaban en la zona exterior denominadas electrones, cuya masa era mucho menor que la del núcleo; éste, por su parte, tenía carga positiva y su peso suponía casi la totalidad del átomo en conjunto. A pesar de que no fue capaz de determinar la composición del núcleo, quedaron sentadas las bases para posteriores investigaciones, las primeras de las cuales se centraron en la estructura del átomo.
El físico y químico británico Ernest Rutherford (30 de agosto de 1871 - 19 de octubre de 1937, se le considera el padre de la Física nuclear) desarrolló en 1911 un modelo basado en un sistema solar en miniatura, en el que el núcleo era una estrella (un sol) y los electrones los planetas. La explicación de su teoría tenía, sin embargo, dos errores: que los electrones emitirían energía al girar, disminuyendo su velocidad y cayendo al núcleo; erróneo porque los electrones ocupan órbitas fijas. Otro error consistía en que los electrones podían saltar de una órbita a otra cualquiera alrededor del núcleo, no obstante, se comprobó que sólo podían ocupar determinadas órbitas siempre iguales.
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| Lord Ernest Rutherford (Brightwater, Nueva Zelanda, 30 de agosto de 1871-Cambridge, Reino Unido, 19 de octubre de 1937) |
Ver también: La energía termonuclear (parte 1)
En 1913 Niels Bohr enunció una nueva teoría atómica para solucionar los fallos de la de Rutherford; consistía en un sistema con un pequeño núcleo alrededor del cual giraban los electrones, pero con órbitas que obedecían a ciertas reglas restrictivas. Según ésas, sólo podría existir un número determinado de órbitas y cada una tendría un nivel de energía, por tanto el electrón que ocupase una órbita concreta poseería la energía correspondiente a ella. De igual manera, no podría saltar de una salvo recibiendo una energía adicional igual a la diferencia entre ambas órbitas; si un electrón cambiara de una órbita de energía superior a otra inferior, emitiría igual cantidad de energía en forma de onda electromagnética, que sería de espectro fijo para los mismos tipos de átomos. A pesar de los adelantos en las explicaciones sobre la estructura de la materia, también contenía errores, aunque hoy es aceptada en líneas generales. Los electrones deberían emitir energía al girar alrededor del núcleo, lo que invalidaba que las órbitas fueran de energía constante.
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| Niels Henrik David Bohr (Copenhague, 7 de octubre de 1885 - Valby, Copenhague, 18 de noviembre de 1962) |
La teoría de la mecánica cuántica solucionó estas interrogantes mediante la enunciación del principio de la dualidad onda-partícula, por la cual toda partícula puede comportarse igualmente como una onda.
Después de establecerse el sistema de las órbitas electrónicas, el interés se centró en determinar la estructura del núcleo. En estado normal, un átomo no posee carga eléctrica, sin embargo, se observó que la carga del núcleo era positiva y siempre múltiplo de la carga del electrón; de esta manera, se concluyó que el núcleo estaba compuesto por un conjunto de partículas, cada una de ellas con igual carga que la del electrón, pero positiva. Esas partículas fueron denominadas protones. Según este planteamiento, los átomos tienen el mismo número de electrones que de protones para poder mantener una carga neutra, es decir, cargas negativas en los electrones iguales a cargas positivas en los protones. El hidrógeno posee un electrón en su órbita, por ello posee igualmente un protón en su núcleo; se dedujo así que el peso del protón era aproximadamente dos mil veces superior al del electrón. Sin embargo, esta medida no corresponde con la de otros elementos atómicos. La incógnita de las masas quedó despejada en 1932 cuando James Chadwick, de la Universidad de Cambridge, descubrió un nuevo elemento en el núcleo cuando estudiaba las colisiones entre partículas a alta velocidad, al que se le denominó neutrón. Quedó así definitivamente determinada la estructura del átomo.
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| James Chadwick (20 de octubre de 1891 – 24 de julio de 1974) |
El paso entre la determinación de la estructura de la materia y la teoría para la obtención de la energía nuclear por fisión lo dio Albert Einstein. Los experimentos sobre esta teoría demostraron que al bombardear un átomo pesado con otra partícula, las diversas partes en que se separaba tenían en conjunto masas menores que la del núcleo original lo que se libera por una cantidad de energía. Al
aplicar la fórmula de Einstein sobre la diferencia de masas se observaba que los resultados eran coincidentes con los de la energía liberada.
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| Alberth Einstein (Ulm, Imperio alemán, 14 de marzo de 1879-Princeton, Estados Unidos, 18 de abril de 1955) |
Con el éxito en la ejecución de la teoría de Einstein se había encontrado una fuente de energía de enormes posibilidades, sin embargo, aún era inviable, el motivo era que experimentalmente, siempre se consumía mayor energía que la que se producía. Estas limitaciones fueron superadas en 1939, cuando Lise Meitner y Otto Hahn descubrieron la facilidad con que podía ser partido el núcleo del uranio mediante un neutrón, el cual producía, además, otros tres neutrones que podían dividir a su vez otros núcleos, acelerando la propia radiactividad natural del uranio.
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| Otto Hahn (Fráncfort del Meno, Reino de Prusia, 8 de marzo de 1879 - Gotinga, Alemania Occidental, 28 de julio de 1968) y Lise Meitner (Viena, 7 de noviembre de 1878 - Cambridge, 27 de octubre de 1968) |
Superadas las limitaciones para generar energía nuclear aprovechable, en 1942 comenzó a funcionar en la Universidad de Chicago el primer prototipo de reactor nuclear, construido por Enrico Fermi. A finales de 1950 comenzó la utilización práctica de esta energía para producir electricidad con las primeras centrales nucleares.
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| Enrico Fermi (Roma, 29 de septiembre de 1901-Chicago, 28 de noviembre de 1954) |
La fusión nuclear es una reacción que tiene lugar por la rotura de un núcleo pesado al ser bombardeado por neutrones de cierta velocidad. A raíz de esta división, el núcleo se separa en dos fragmentos acompañado de una emisión de radiación, libera de dos ó tres nuevos neutrones y una gran cantidad de energía que se transforma finalmente en calor. Los neutrones que escapan de la fisión, al bajar su energía cinética, se encuentran en condiciones de fisionar otros núcleos pesados y surge una reacción nuclear en cadena.
Cabe señalar que los núcleos atómicos utilizados son de Uranio-235. El proceso de fisión permite el funcionamiento de los reactores nucleares que actualmente operan en el mundo.
La fusión nuclear ocurre cuando dos núcleos atómicos muy livianos se unen y forman un núcleo atómico más pesado con mayor estabilidad. Estas reacciones liberan energías tan elevadas que, en la actualidad, se estudian formas adecuadas para mantener la estabilidad y confinamiento de las reacciones.
La energía necesaria para lograr la unión de los núcleos se puede obtener utilizando energía térmica o bien utilizando aceleradores de partículas. Ambos métodos buscan que la velocidad de las partículas aumente para, así, vencer las fuerzas de repulsión electrostáticas generadas al momento de la colisión necesaria para la fusión.
Para obtener núcleos de átomos aislados, es decir, separados de su envoltura de electrones, se utilizan gases sobrecalentados que constituyen el denominado plasma físico. Este proceso es propio del Sol y las estrellas, pues se trata de gigantescas estructuras de mezclas de gases calientes atrapadas por las fuerzas de gravedad estelar.
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