Reacciones Nucleares Artificiales

Se pueden conseguir artificialmente transformaciones en los núcleos atómicos “bombardeándolos” con partículas. El núcleo absorbe (capta) dicha partícula y emite otras, transformándose así en otro elemento.

En toda reacción nuclear se van a conservar (además de la energía y la cantidad de movimiento, como en toda colisión):

  • La carga eléctrica total antes y después del choque.
  • El número total de nucleones (ΣA).
  • La suma de los números atómicos (ΣZ).

La masa, sin embargo, no se va a conservar, ya que parte de la masa se convierte en energía (defecto másico), ya sea en forma de fotones o como energía cinética.

Cuando un átomo emite un positrón (partícula β+) en su núcleo tiene lugar el siguiente proceso: un protón se transforma en un neutrón (que permanece en el núcleo) y en un positrón, que sale a gran velocidad. También se emite otra partícula, el neutrino, que no tiene carga y su masa es prácticamente nula. La transformación es:

Protón → neutrón + positrón + neutrino

Cuando un núcleo emite un positrón se transforma en otro que tiene el mismo número másico (tiene un neutrón y un protón menos) y una unidad menos de número atómico.

1. Fisión Nuclear

La fisión nuclear es la rotura de un núcleo en otros más pequeños, al ser bombardeados (normalmente con neutrones).

Este fenómeno se da para núcleos pesados. Desprenden energía al romperse en otros núcleos más pequeños. 235U

Como se puede observar, cada reacción desprende un mayor número de neutrones de los que absorbe. Estos neutrones podrán chocar con nuevos átomos de Uranio, volviéndose a producir la fisión, con desprendimiento de energía y más neutrones, y así sucesivamente. A esto se le denomina reacción en cadena. En las centrales nucleares, la reacción en cadena se controla mediante barras de control, de sustancias que absorben el exceso de neutrones (Cadmio principalmente). Si no se controla el número de neutrones, la energía desprendida es tan grande que se produce una explosión nuclear.

La masa crítica de un material es la masa mínima de esa sustancia por debajo de la cual no se produce la reacción en cadena, pues los neutrones no son frenados suficientemente y escapan de la muestra sin producir la fisión en cadena.

Centrales Nucleares

En toda central de producción de energía eléctrica, esta se genera por inducción electromagnética haciendo girar el rotor de una dinamo o alternador. La diferencia entre los diferentes tipos de central está en cómo se hace girar dicho rotor.

En una central nuclear, se aprovecha la energía desprendida en la fisión de 23592U o 23994Pu, para calentar agua, llevarla a la ebullición, y hacer que el vapor mueva una turbina, haciendo funcionar el alternador.

En el núcleo del reactor, las barras de combustible sufren la fisión, generando núcleos más ligeros y desprendiendo neutrones. Estos son frenados al chocar con las moléculas de la sustancia moderadora.

No es el agua del moderador la que entra en ebullición, ya que contiene sustancias radiactivas. La energía obtenida se va transmitiendo de un circuito cerrado de agua a otro (lo que se denomina intercambiador de calor). El vapor producido finalmente mueve la turbina, conectada a un generador de corriente alterna.

Las barras de control, de cadmio generalmente, son necesarias para mantener la reacción a ritmo adecuado. Introduciendo o retirando barras se acelera, ralentiza o incluso se detiene la reacción.

1. Fusión Nuclear

La fusión nuclear es la unión de dos núcleos ligeros (menos pesados que el hierro) para formar uno sólo. Va acompañada de desprendimiento de energía y, en ocasiones, de otras partículas.

La energía despedida en estas reacciones es de aprox. 18 MeV. La energía obtenida por cada gramo que reacciona es unas 4 veces superior en el caso de la fusión. Además, el combustible es más barato (se encuentra en el agua), prácticamente inagotable, y no tiene residuos perjudiciales ni radiactivos.

Sin embargo, para conseguir que choquen los núcleos de hidrógeno se necesita que tengan una gran energía cinética. Esto hace que el hidrógeno tenga que estar a gran temperatura. Ahí radica la dificultad. Estas reacciones termonucleares se dan espontáneamente en el centro de las estrellas, ya que allí sí se consigue esa temperatura.

Centrales nucleares de fusión: consisten básicamente en este procedimiento. El combustible (hidrógeno) se calienta hasta estado de plasma (los átomos se desprenden de sus electrones, quedando con carga +), y se mantiene en movimiento mediante un campo magnético. Mediante un láser u otro procedimiento, se consigue la energía necesaria para que se produzca la fusión. Hasta ahora no se ha conseguido que la reacción se automantenga.