Diferencia entre revisiones de «Energía nuclear»
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La principal característica de este tipo de energía es la alta cantidad de energía que puede producirse por [[unidad de masa]] de material utilizado en comparación con cualquier otro tipo de energía conocida por el ser humano.
== Historia ==
=== Las reacciones nucleares ===
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En [[Francia]], [[Jean Frédéric Joliot-Curie|Joliot Curie]] descubrió que además del bario, se emitían neutrones secundarios en esa reacción, haciendo factible la reacción en cadena.
También en 1932 [[Mark Oliphant]] teorizó sobre la [[fusión]] de núcleos ligeros (de [[hidrógeno]]), describiendo poco después [[Hans Bethe]] el funcionamiento de las estrellas basándose en este mecanismo.
{{VT|Radiactividad|Fuerzas nucleares|procesos nucleares}}
=== La fisión nuclear ===
{{AP|Fisión nuclear}}
[[Archivo:Oppenheimer Fermi Lawrence.jpeg|thumb|left|250px|De izda. a dcha.: [[J. Robert Oppenheimer]], [[Enrico Fermi]] y [[Ernest Lawrence]].]]
Durante la [[Segunda Guerra Mundial]], el Departamento de Desarrollo de de Armamento de la Alemania Nazi desarrolló un proyecto de energía nuclear ([[Proyecto Uranio]]) con vistas a la producción de un artefacto explosivo nuclear. [[Albert Einstein]], en [[1939]], firmó una carta al presidente [[Franklin Delano Roosevelt]] de los [[Estados Unidos]], escrita por [[Leó Szilárd]], en la que se prevenía sobre este hecho.<ref>[http://www.mphpa.org/index2.php?option=com_content&do_pdf=1&id=172 Los comienzos de la era atómica: Carta de Einstein a Roosevelt]</ref>
El [[2 de diciembre]] de [[1942]], como parte del [[proyecto Manhattan]] dirigido por [[J. Robert Oppenheimer]], se construyó el primer [[reactor nuclear|reactor]] del mundo hecho por el ser humano (existió un reactor natural en [[Oklo]]): el [[Chicago Pile-1]] (CP-1).
Como parte del mismo programa militar, se construyó un reactor mucho mayor en [[Hanford Site|Hanford]], destinado a la producción de [[plutonio]], y al mismo tiempo, un proyecto de enriquecimiento de uranio en cascada. El 16 de julio de [[1945]] fue probada la primera bomba nuclear (nombre en clave [[Prueba Trinity|Trinity]]) en el desierto de [[Alamogordo]]. En esta prueba se llevó a cabo una explosión equivalente a 19.000.000 de [[kg]] de [[Trinitrotolueno|TNT]] (19 [[kilotón|kilotones]]), una potencia jamás observada anteriormente en ningún otro [[explosivo]]. Ambos proyectos desarrollados finalizaron con la construcción de dos bombas, una de uranio enriquecido y una de plutonio ([[Little Boy]] y [[Fat Man]]) que fueron lanzadas sobre las ciudades japonesas de [[Hiroshima]] ([[6 de agosto]] de 1945) y [[Nagasaki]] (9 de agosto de 1945) respectivamente. El 15 de agosto de 1945 acabó la segunda guerra mundial en el Pacífico con la rendición de Japón. Por su parte el programa de armamento nuclear alemán (liderado este por [[Werner Heisenberg]]), no alcanzó su meta antes de la rendición de [[Alemania]] el 8 de mayo de 1945.
Posteriormente se llevaron a cabo programas nucleares en la [[Unión Soviética]] (primera prueba de una bomba de fisión el 29 de agosto de [[1949]]), [[Francia]] y [[Gran Bretaña]], comenzando la carrera armamentística en ambos bloques creados tras la guerra, alcanzando límites de potencia destructiva nunca antes sospechada por el ser humano (cada bando podía derrotar y destruir varias veces a todos sus enemigos).
Ya en la década de 1940, el almirante [[Hyman Rickover]] propuso la construcción de reactores de fisión no encaminados esta vez a la fabricación de material para [[bomba]]s, sino a la generación de electricidad. Se pensó, acertadamente, que estos reactores podrían constituir un gran sustituto del [[gasóleo|diésel]] en los submarinos. Se construyó el primer reactor de prueba en [[1953]], botando el primer submarino nuclear (el [[USS Nautilus]] (SSN-571)) el 17 de enero de [[1955]] a las 11:00. El Departamento de Defensa Estadounidense propuso el diseño y construcción de un reactor nuclear utilizable para la generación eléctrica y propulsión en los submarinos a dos empresas distintas norteamericanas: [[General Electric]] y [[Westinghouse]]. Estas empresas desarrollaron los reactores de agua ligera tipo [[BWR]] y [[PWR]] respectivamente.
Estos reactores se han utilizado para la [[propulsión nuclear|propulsión]] de buques, tanto de uso militar (submarinos, cruceros, portaaviones,...) como civil (rompehielos y [[NS Savannah|cargueros]]), donde presentan potencia, reducción del tamaño de los motores, reducción en el almacenamiento de combustible y autonomía no mejorados por ninguna otra técnica existente.
Los mismos diseños de reactores de fisión se trasladaron a diseños comerciales para la generación de electricidad. Los únicos cambios producidos en el diseño con el transcurso del tiempo fueron un aumento de las medidas de seguridad, una mayor eficiencia termodinámica, un aumento de potencia y el uso de las nuevas tecnologías que fueron apareciendo.
Entre 1950 y 1960 [[Canadá]] desarrolló un nuevo tipo, basado en el PWR, que utilizaba [[agua pesada]] como [[moderador]] y [[uranio|uranio natural]] como combustible, en lugar del [[uranio enriquecido]] utilizado por los diseños de agua ligera. Otros diseños de reactores para su uso comercial utilizaron carbono ([[Magnox]], [[AGR]], [[RBMK]] o [[PBR]] entre otros) o [[Reactor de sal fundida (Molten salt reactor)|sales fundidas]] (litio o berilio entre otros) como moderador. Este último tipo de reactor fue parte del diseño del primer avión bombardero ([[1954]]) con propulsión nuclear (el US Aircraft Reactor Experiment o ARE). Este diseño se abandonó tras el desarrollo de los [[Misil balístico intercontinental|misiles balísticos intercontinentales]] (ICBM).
Otros países ([[Francia]], [[Italia]], entre otros) desarrollaron sus propios diseños de reactores nucleares para la generación eléctrica comercial.
En [[1946]] se construyó el primer [[reactor rápido|reactor de neutrones rápidos]] (''Clementine'') en Los Álamos, con plutonio como combustible y [[mercurio (elemento)|mercurio]] como refrigerante. En [[1951]] se construyó el [[EBR-I]], el primer reactor rápido con el que se consiguió generar electricidad. En [[1996]], el [[Superfénix]] o SPX, fue el reactor rápido de mayor potencia construido hasta el momento (1200 MWe). En este tipo de reactores se pueden utilizar como combustible los radioisótopos del plutonio, el [[torio]] y el uranio que no son fisibles con neutrones térmicos (lentos).
En la década de los 50 [[Ernest Lawrence]] propuso la posibilidad de utilizar reactores nucleares con geometrías inferiores a la criticidad ([[Reactor subcrítico|reactores subcríticos]] cuyo combustible podría ser el torio), en los que la reacción sería soportada por un aporte externo de neutrones. En [[1993]] [[Carlo Rubbia]] propone utilizar una instalación de [[espalación]] en la que un [[acelerador de partículas|acelerador]] de [[protón|protones]] produjera los neutrones necesarios para mantener la instalación. A este tipo de sistemas se les conoce como ''Sistemas asistidos por aceleradores'' (en inglés ''Accelerator driven systems'', [[ADS]] sus siglas en inglés), y se prevé que la primera planta de este tipo ([[MYRRHA]]) comience su funcionamiento entre el [[2016]] y el [[2018]] en el centro de Mol ([[Bélgica]]).<ref>[http://www.sckcen.be/myrrha/home.php Web del proyecto Myrrha]</ref>
=== La fusión nuclear ===
{{AP|Fusión nuclear|AP2=Ciclo CNO|AP3=Cadena protón-protón}}
Hasta el principio del s.XX no se entendió la forma en que se generaba energía en el interior de las estrellas para contrarrestar el colapso gravitatorio de estas. No existía reacción química con la potencia suficiente y la fisión tampoco era capaz. En 1938 [[Hans Bethe]] logró explicarlo mediante reacciones de fusión, con el [[ciclo CNO]], para estrellas muy pesadas. Posteriormente se descubrió el [[ciclo protón-protón]] para estrellas de menor masa, como el [[Sol]].
En los [[años 1940]], como parte del [[proyecto Manhattan]], se estudió la posibilidad del uso de la [[fusión]] en la bomba nuclear. En [[1942]] se investigó la posibilidad del uso de una reacción de fisión como método de ignición para la principal reacción de fusión, sabiendo que podría resultar en una potencia miles de veces superior. Sin embargo, tras finalizar la [[Segunda Guerra Mundial]], el desarrollo de una bomba de estas características no fue considerado primordial hasta la explosión de la primera [[bomba atómica]] rusa en 1949, [[RDS-1]] o ''Joe-1''. Este evento provocó que en [[1950]] el presidente estadounidense [[Harry S. Truman]] anunciara el comienzo de un proyecto que desarrollara la bomba de hidrógeno. El 1 de noviembre de [[1952]] se probó la primera bomba nuclear (nombre en clave ''Mike'', parte de la ''[[Operación Ivy]]'' o Hiedra), con una potencia equivalente a 10.400.000.000 de [[kg]] de TNT (10,4 [[megatón|megatones]]). El 12 de agosto de [[1953]] la [[Unión Soviética]] realiza su primera prueba con un artefacto termonuclear (su potencia alcanzó algunos centenares de kilotones).
Las condiciones que eran necesarias para alcanzar la ignición de un reactor de fusión controlado, sin embargo, no fueron derivadas hasta [[1955]] por [[John D. Lawson]].<ref name="Lawson">[http://www.jet.efda.org/pages/publications/yop/dec05-aere-gpr1807.pdf Condiciones de Lawson para construir un reactor de fusión útil]</ref> Los [[criterios de Lawson]] definieron las condiciones mínimas necesarias de [[tiempo]], [[densidad]] y [[temperatura]] que debía alcanzar el combustible nuclear (núcleos de hidrógeno) para que la reacción de fusión se mantuviera. Sin embargo, ya en [[1946]] se patentó el primer diseño de reactor termonuclear.<ref name="reactor">[http://v3.espacenet.com/textdoc?DB=EPODOC&IDX=GB817681&F=0 Resumen de la patente GB817681]</ref> En [[1951]] comenzó el programa de fusión de Estados Unidos, sobre la base del [[stellarator]]. En el mismo año comenzó en la Unión Soviética el desarrollo del primer [[Tokamak]], dando lugar a sus primeros experimentos en [[1956]]. Este último diseño logró en [[1968]] la primera reacción termonuclear cuasiestacionaria jamás conseguida, demostrándose que era el diseño más eficiente conseguido hasta la época. [[ITER]], el diseño internacional que tiene fecha de comienzo de sus operaciones en el año [[2016]] y que intentará resolver los problemas existentes para conseguir un reactor de fusión de confinamiento magnético, utiliza este diseño.
[[Archivo:Fusion microcapsule.jpg|thumb|150px|Cápsula de combustible preparada para el reactor de fusión de [[confinamiento inercial]] [[National Ignition Facility|NIF]], rellena de [[deuterio]] y [[tritio]].]]
En [[1962]] se propuso otra técnica para alcanzar la fusión basada en el uso de [[láser]]es para conseguir una implosión en pequeñas cápsulas llenas de combustible nuclear (de nuevo núcleos de hidrógeno). Sin embargo hasta la década de los 70 no se desarrollaron láseres suficientemente potentes. Sus inconvenientes prácticos hicieron de esta una opción secundaria para alcanzar el objetivo de un reactor de fusión. Sin embargo, debido a los tratados internacionales que prohibían la realización de ensayos nucleares en la atmósfera, esta opción (básicamente microexplosiones termonucleares) se convirtió en un excelente laboratorio de ensayos para los militares, con lo que consiguió financiación para su continuación. Así se han construido el [[National Ignition Facility]] (NIF, con inicio de sus pruebas programadas para [[2010]]) estadounidense y el [[Laser Megajoule]] (LMJ, que será completado en el [[2010]]) francés, que persiguen el mismo objetivo de conseguir un dispositivo que consiga mantener la reacción de fusión a partir de este diseño. Ninguno de los proyectos de investigación actualmente en marcha predicen una ganancia de energía significativa, por lo que está previsto un proyecto posterior que pudiera dar lugar a los primeros reactores de fusión comerciales ([[DEMO]] para el [[confinamiento magnético]] e [[HiPER]] para el [[confinamiento inercial]]).
=== Otros sistemas de energía nuclear ===
{{AP|RTG}}
Con la invención de la [[pila voltaica|pila química]] por [[Volta]] en [[1800]] se dio lugar a una forma compacta y portátil de generación de energía. A partir de entonces fue incesante la búsqueda de sistemas que fueran aun menores y que tuvieran una mayor capacidad y duración. Este tipo de pilas, con pocas variaciones, han sido suficientes para muchas aplicaciones diarias hasta nuestros tiempos. Sin embargo, en el siglo XX surgieron nuevas necesidades, a causa principalmente de los programas espaciales. Se precisaban entonces sistemas que tuvieran una duración elevada para consumos eléctricos moderados y un mantenimiento nulo. Surgieron varias soluciones (como los [[panel solar|paneles solares]] o las [[célula de combustible|células de combustible]]), pero según se incrementaban las necesidades energéticas y aparecían nuevos problemas (las placas solares son inútiles en ausencia de luz solar), se comenzó a estudiar la posibilidad de utilizar la [[energía]] nuclear en estos programas.
A mediados de la [[años 50|década de los 50]] comenzaron en [[Estados Unidos]] las primeras investigaciones encaminadas a estudiar las aplicaciones nucleares en el espacio. De estas surgieron los primeros prototipos de los ''generadores termoeléctricos de radioisótopos'' ([[RTG]]). Estos dispositivos mostraron ser una alternativa sumamente interesante tanto en las aplicaciones espaciales como en aplicaciones terrestres específicas. En estos artefactos se aprovechan las desintegraciones [[desintegración alfa|alfa]] y [[desintegración beta|beta]], convirtiendo toda o gran parte de la energía cinética de las partículas emitidas por el núcleo en calor. Este calor es después transformado en [[electricidad]] aprovechando el [[efecto Seebeck]] mediante unos termopares, consiguiendo eficiencias aceptables (entre un 5 y un 40% es lo habitual). Los radioisótopos habitualmente utilizados son <sup>210</sup>[[polonio|Po]], <sup>244</sup>[[curio|Cm]], <sup>238</sup>[[plutonio|Pu]], <sup>241</sup>[[americio|Am]], entre otros 30 que se consideraron útiles. Estos dispositivos consiguen capacidades de almacenamiento de energía 4 órdenes de magnitud superiores (10.000 veces mayor) a las baterías convencionales.
En [[1959]] se mostró al público el primer ''generador atómico''.<ref>[http://www.ne.doe.gov/pdfFiles/NPSPACE.PDF Energía nuclear en el espacio. Breve historia sobre los RTG]</ref> En [[1961]] se lanzó al espacio el primer [[RTG]], a bordo del [[SNAP 3]]. Esta batería nuclear, que alimentaba a un satélite de la armada norteamericana con una potencia de 2,7 [[watio|W]], mantuvo su funcionamiento ininterrumpido durante 15 años.
[[Archivo:RTG before it‘s insallation on New Horizons.jpg|thumb|200px|left|RTG del [[New Horizons]] (en el centro abajo, en negro), misión no tripulada a [[Plutón (planeta enano)|Plutón]]. La sonda fue lanzada en enero de [[2006]] y alcanzará su objetivo en julio de [[2015]].]]
Estos sistemas se han utilizado y se siguen usando en programas espaciales muy conocidos ([[Pioneer]], [[Voyager]], [[Galileo]], [[Apolo]] y [[Ulises]] entre otros). Así por ejemplo en [[1972]] y [[1973]] se lanzaron los Pioneer 10 y 11, convirtiéndose el primero de ellos en el primer objeto humano de la historia que abandonaba el [[sistema solar]]. Ambos satélites continuaron funcionando hasta 17 años después de sus lanzamientos.
La misión Ulises (misión conjunta [[ESA]]-[[NASA]]) se envió en [[1990]] para estudiar el [[Sol]], siendo la primera vez que un satélite cruzaba ambos polos solares. Para poder hacerlo hubo que enviar el satélite en una órbita alrededor de [[Júpiter (planeta)|Júpiter]]. Debido a la duración del RTG que mantiene su funcionamiento se prolongó la misión de modo que se pudiera volver a realizar otro viaje alrededor del Sol. Aunque pareciera extraño que este satélite no usara paneles solares en lugar de un RTG, puede entenderse al comparar sus pesos (un panel de 544 [[kg]] generaba la misma potencia que un RTG de 56). En aquellos años no existía un cohete que pudiera enviar a su órbita al satélite con ese peso extra.
Estas baterías no solo proporcionan electricidad, sino que en algunos casos, el propio calor generado se utiliza para evitar la congelación de los satélites en viajes en los que el calor del [[Sol]] no es suficiente, por ejemplo en viajes fuera del sistema solar o en misiones a los polos de la [[Luna]].
En [[1966]] se instaló el primer RTG terrestre en la isla deshabitada [[Fairway Rock]], permaneciendo en funcionamiento hasta [[1995]], momento en el que se desmanteló. Otros muchos faros situados en zonas inaccesibles cercanas a los polos (sobre todo en la Unión Soviética), utilizaron estos sistemas. Se sabe que la Unión Soviética fabricó más de 1000 unidades para estos usos.
Una aplicación que se dio a estos sistemas fue su uso como [[marcapasos]].<ref>[http://home.comcast.net/~dprutchi/nuclear_pacemakers.pdf Marcapasos nucleares]</ref> Hasta los 70 se usaba para estas aplicaciones baterías de [[mercurio (elemento)|mercurio]]-[[zinc]], que tenían una duración de unos 3 años. En esta década se introdujeron las baterías nucleares para aumentar la longevidad de estos artefactos, posibilitando que un paciente joven tuviera implantado solo uno de estos artefactos para toda su vida. En los [[años 1960]], la empresa [[Medtronic]] contactó con [[Alcatel]] para diseñar una batería nuclear, implantando el primer marcapasos alimentado con un RTG en un paciente en [[1970]] en [[París]]. Varios fabricantes construyeron sus propios diseños, pero a mediados de esta década fueron desplazados por las nuevas baterías de [[litio]], que poseían vidas de unos 10 años (considerado suficiente por los médicos aunque debiera sustituirse varias veces hasta la muerte del paciente). A mediados de los [[años 1980]] se detuvo el uso de estos implantes, aunque aún existen personas que siguen portando este tipo de dispositivos.
== Fundamentos físicos ==
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