Reactores Nucleares: Fisión y Fusión para la Generación de Energía

Funcionamiento y Seguridad de los Reactores Nucleares

Un reactor nuclear es una cámara blindada contra la radiación donde se produce una reacción nuclear controlada. Sus aplicaciones son variadas, incluyendo la obtención de energía, producción de materiales fisionables, armamento nuclear, propulsión de buques o satélites artificiales, e investigación.

Estos reactores poseen grandes medidas de seguridad. Operan de manera uniforme y son intrínsecamente seguros, minimizando el impacto ambiental. La radiactividad de la estructura del reactor se minimiza mediante una cuidadosa selección de materiales.

Si bien no emiten gases dañinos a la atmósfera, los reactores nucleares de fisión producen residuos radiactivos que requieren un manejo especializado y perduran por decenas de miles de años. Actualmente, existen dos líneas principales de investigación para reactores de fusión:

• Confinamiento inercial: Contener la fusión mediante el empuje de partículas o rayos láser contra una partícula de combustible, provocando su ignición instantánea.
• Confinamiento magnético: Contener el material a fusionar en un campo magnético mientras se alcanzan las condiciones necesarias de temperatura y presión. El hidrógeno a estas temperaturas se convierte en plasma.

Fisión Nuclear

El uranio natural se compone de tres isótopos: U-234 (0,006%), U-235 (0,7%), y U-238 (99,3%). La velocidad requerida para un evento de fisión, en comparación con la captura sin fisión, es diferente para cada isótopo.

El Uranio-238 tiende a capturar neutrones de velocidad intermedia, creando U-239, que decae sin fisión a Plutonio-239, un material fisible. Debido a su capacidad para producir material fisible, a estos materiales se les llama fértiles.

Los neutrones de alta velocidad, como los producidos en una reacción de fusión Tritio-Deuterio a 52.000 km/s, pueden fisionar el Uranio-238. Sin embargo, los neutrones producidos por la fisión del Uranio-235, de hasta 28.000 km/s, tienden a rebotar inelásticamente con él, lo que los desacelera. En un reactor nuclear, el U-238 desacelera los neutrones de alta velocidad provenientes de la fisión del Uranio-235 y también los captura, transmutándose en Plutonio-239 cuando su velocidad se modera.

El Uranio-235 fisiona con una gama más amplia de velocidades de neutrones que el U-238. La presencia de U-238 en la mezcla dificulta la fisión, ya que captura neutrones sin fisionar. De hecho, la probabilidad de fisión del U-235 con neutrones de alta velocidad puede ser lo suficientemente alta como para hacer innecesario el uso de un moderador una vez que se ha eliminado el U-238, lo cual cría plutonio.

Fusión Nuclear

Fusión nuclear: Es la combinación de núcleos de átomos ligeros para formar átomos más pesados, liberando energía en el proceso. Para que ocurra, los núcleos deben colisionar a muy alta velocidad para vencer la repulsión eléctrica mutua.

El núcleo fusionado tendrá una masa menor que la suma de las masas de los núcleos separados; esta diferencia de masa se libera en forma de energía, según la ecuación E=mc², donde m es la diferencia de masa y c es la velocidad de la luz.

Las reacciones de fusión requieren temperaturas de varios millones de grados Celsius. Aunque existen técnicas para alcanzar estas temperaturas, uno de los desafíos tecnológicos es que los materiales se funden y evaporan a estas temperaturas. La solución es realizar la reacción en un recipiente no material.

Un ejemplo de recipiente no material es un campo magnético, que a cualquier temperatura puede ejercer grandes fuerzas sobre partículas cargadas en movimiento. Paredes magnéticas con campos de suficiente intensidad pueden contener gases ionizados calientes llamados plasma. La compresión magnética aumenta aún más la temperatura del plasma hasta alcanzar la necesaria para la fusión.

Para que ocurra la fusión, los núcleos deben vencer la repulsión eléctrica, lo que sucede a temperaturas cercanas a 350 millones de grados Celsius, produciendo suficiente energía para auto sustentarse. Es una reacción en la que dos núcleos ligeros se unen para formar uno más pesado. Este proceso libera energía porque la masa del núcleo pesado es menor que la suma de las masas de los núcleos más ligeros, según la ecuación E=mc².

La fusión solo puede darse en condiciones de temperatura y presión muy elevadas que permitan compensar la repulsión electrostática. El nuevo núcleo tiene una masa inferior a la suma de las masas de los dos núcleos que se fusionaron, y esta diferencia de masa se libera en forma de energía. Las condiciones mínimas para producir la fusión se conocen como criterios de Lawson, que establecen la densidad iónica y el tiempo de confinamiento mínimos necesarios.

La fusión nuclear aún está en fase de investigación y se obtiene principalmente en laboratorios, ya que se emplea más energía en el proceso de la que se obtiene. Por lo tanto, todavía no es una fuente de energía viable comercialmente. Sin embargo, la fusión nuclear representa una gran alternativa de futuro, ya que es una fuente inagotable de energía que utiliza el agua, un recurso abundante, barato y limpio. La reacción más fácil de conseguir es la del deuterio (un protón más un neutrón) y tritio (un protón y dos neutrones) para formar helio (dos neutrones y dos protones) y un neutrón, liberando una energía de 17,6 MeV. Los combustibles primarios son baratos, abundantes, no radioactivos y están geográficamente bien distribuidos.