Fusión nuclear

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Fusión de deuterio con tritio produciendo helio-4, liberando un neutrón, y generando 17.59 MeV de energía, como cantidad de masa apropiada convertida de la energía cinética de los productos, de acuerdo con E = Δm c².

En física nuclear y química nuclear, la fusión nuclear es el proceso por el cual varios núcleos atómicos de carga similar se unen para formar un núcleo más pesado. Se acompaña de la liberación o absorción de energía, que permite a la materia entrar en un estado plasmático.

La fusión de dos núcleos de menor masa que el hierro (que, junto con el níquel, tiene la mayor energía de enlace por nucleón) libera energía en general, mientras que la fusión de núcleos más pesados que el hierro absorbe energía; y viceversa para el proceso inverso, fisión nuclear. En el caso más simple de fusión del hidrógeno, dos protones deben acercarse lo suficiente para que la interacción nuclear fuerte pueda superar su repulsión eléctrica mutua y obtener la posterior liberación de energía.

La fusión nuclear se produce de forma natural en las estrellas. La fusión artificial también se ha logrado en varias empresas humanas, aunque todavía no ha sido totalmente controlada. Sobre la base de los experimentos de transmutación nuclear de Ernest Rutherford conducidos unos pocos años antes, la fusión de núcleos ligeros (isótopos de hidrógeno) fue observada por primera vez por Mark Oliphant en 1932; los pasos del ciclo principal de la fusión nuclear en las estrellas posteriormente fueron elaborados por Hans Bethe durante el resto de esa década. La investigación sobre la fusión para fines militares se inició en la década de 1940 como parte del Proyecto Manhattan, pero no tuvo éxito hasta 1952. La investigación sobre la fusión controlada con fines civiles se inició en la década de 1950, y continúa hasta este día.

Contenido [ocultar] 1 Descripción general 2 Requisitos 3 Confinamiento electrostático estable para fusión nuclear 4 Véase también 5 Enlaces externos 6 Notas y referencias

Descripción general [editar]

Las reacciones de fusión dan energía a las estrellas y producen todos los elementos, excepto los más ligeros, en un proceso llamado nucleosíntesis. Aunque la fusión de los elementos más ligeros en las estrellas libera energía, la producción de los elementos más pesados absorbe energía.

Cuando la reacción de fusión es una cadena sostenida y fuera de control, puede resultar en una explosión termonuclear, como la generada por una bomba de hidrógeno. Las reacciones que no son autosuficientes aún pueden liberar una energía considerable, así como un gran número de neutrones.

Las investigaciones sobre la fusión controlada llevan más de 50 años persiguiendo el objetivo de obtener energía de fusión para la producción de electricidad. Este proceso ha estado repleto de extremas dificultades científicas y tecnológicas, pero esto se ha traducido en progreso. En la actualidad, las reacciones equilibradas y controladas (autosuficientes) de fusión, no han podido ser demostradas en los pocos reactores de tipo tokamak que hay en el mundo.^[1] Está previsto que en torno al año 2018 entren en funcionamiento diseños viables para un reactor que, teóricamente, generará diez veces más energía de la requerida para calentar el plasma a la temperatura necesaria (ver ITER).

Se necesita mucha energía para forzar a los núcleos a fusionarse, incluso los del elemento más ligero, el hidrógeno. Esto se debe a que todos los núcleos tienen una carga positiva (debido a sus protones), y como las cargas iguales se repelen, los núcleos se resisten con fuerza a que se los ponga demasiado juntos. Acelerados a altas velocidades (esto es, calentados a temperaturas termonucleares), pueden superar esta repulsión electromagnética y acercarse lo suficiente para que la interacción nuclear fuerte sea lo suficientemente fuerte como para lograr la fusión. La fusión de núcleos más ligeros, que crea un núcleo más pesado y un neutrón libre, en general libera más energía de la que se necesita para forzar a los núcleos a acercarse; se trata de una reacción exotérmica que puede producir reacciones autosuficientes.

La energía liberada en la mayoría de las reacciones nucleares es mucho mayor que en las reacciones químicas, porque la energía de enlace que mantiene unido un núcleo es mucho mayor que la energía que mantiene unido al núcleo con un electrón. Por ejemplo, la energía de ionización ganada con la adición de un electrón a un átomo de hidrógeno es 13.6 electrón-voltios—menos de una millonésima de los 17 MeV liberada en la reacción DT (deuterio-tritio), reacción que se muestra en el diagrama de la derecha. Las reacciones de fusión tienen una densidad de energía muchas veces mayor que la fisión nuclear, es decir, las reacciones producen mucha más energía por unidad de masa a pesar de que las reacciones de fisión individuales son generalmente mucho más enérgicas que las reacciones de fusión individuales, que a su vez son millones de veces más enérgicas que las reacciones químicas. Sólo la conversión directa de la masa en energía, como la causada por la colisión de la materia y la antimateria, es más energética por unidad de masa que la fusión nuclear.

Requisitos [editar]

Antes de que la fusión pueda tener lugar, debe superarse una importante barrera de energía producida por la fuerza electrostática. A grandes distancias dos núcleos se repelen entre sí debido a la fuerza de repulsión electrostática entre sus protones cargados positivamente. Si dos núcleos pueden ser acercados lo suficiente, sin embargo, la repulsión electrostática se puede superar debido a la interacción nuclear fuerte, que es más fuerte en distancias cortas.

Cuando se añade un nucleón como un protón o un neutrón a un núcleo, la fuerza nuclear atrae a otros nucleones, pero principalmente a sus vecinos inmediatos, debido al corto alcance de esta fuerza. Los nucleones en el interior de un núcleo tienen más vecinos nucleones que los de la superficie. Ya que los núcleos más pequeños tienen una mayor relación entre área de superficie y volumen, la energía de enlace por nucleón debido a la fuerza nuclear por lo general aumenta con el tamaño del núcleo, pero se aproxima a un valor límite correspondiente a la de un núcleo con un diámetro de cerca de cuatro nucleones.

La fuerza electrostática, por otra parte, es una fuerza inversa del cuadrado de la distancia, así que un protón añadido a un núcleo sentirá una repulsión electrostática de todos los otros protones en el núcleo. La energía electrostática por nucleón, debido a la fuerza electrostática por tanto, aumenta sin límite cuando los núcleos se hacen más grandes.

En distancias cortas, la interacción nuclear fuerte (atracción) es más fuerte que la fuerza electrostática (repulsión). Así, la mayor dificultad técnica para la fusión es conseguir que los núcleos se acerquen lo suficiente para fusionar. Las distancias no están a escala..

El resultado neto de estas fuerzas opuestas es que la energía de enlace por nucleón generalmente aumenta con el tamaño del núcleo, hasta llegar a los elementos hierro y níquel, y un posterior descenso para los núcleos más pesados. Finalmente, la energía de enlace se convierte en negativa y los núcleos más pesados (con más de 208 nucleones, correspondientes a un diámetro de alrededor de 6 nucleones) no son estables. Los cuatro núcleos más estrechamente unidos, en orden decreciente de energía de enlace, son ⁶²Ni, ⁵⁸Fe, ⁵⁶Fe, y ⁶⁰Ni.^[2] A pesar de que el isótopo de níquel, ⁶²Ni, es más estable, el isótopo de hierro ⁵⁶Fe es una orden de magnitud más común. Esto se debe a una mayor tasa de desintegración de ⁶²Ni en el interior de las estrellas impulsado por la absorción de fotones.

Una notable excepción a esta tendencia general es el núcleo helio-4, cuya energía de enlace es mayor que la del litio, el siguiente elemento más pesado. El principio de exclusión de Pauli proporciona una explicación para este comportamiento excepcional, que dice que debido a que los protones y los neutrones son fermiones, no pueden existir en el mismo estado. Helio-4 tiene una energía de enlace anormalmente grande debido a que su núcleo está formado por dos protones y dos neutrones, de modo que sus cuatro nucleones puede estar en el estado fundamental. Cualquier nucleón adicionales tendrían que ir en estados de energía superiores.

Confinamiento electrostático estable para fusión nuclear [editar]

Como se puede apreciar en el dibujo de abajo se basa en el encierro total de iones de hidrógeno confinados electrostáticamente.

Los beneficios de este confinamiento son múltiples:

1. El grosor de la esfera de cobre anula la inestabilidad producida por los errores de simetría. 2. La ionización del hidrógeno se produce fácilmente por el campo eléctrico que absorbe los electrones sin disminuir la intensidad del campo eléctrico. 3. Se puede obtener un intenso campo eléctrico lo que evitaría que los iones de hidrógeno escapen. 4. La energía consumida es menor que la que consume un reactor de fusión que produce un campo electromagnético para confinar los iones. La fusión nuclear se logra por medio de compresión-descompresión aumentando o disminuyendo la intensidad del campo eléctrico, esto se logra aumentando o disminuyendo la velocidad del generador de electricidad. El moderador de neutrones que se puede utilizar es el plomo aunque habría que probar su eficacia. Ver dibujo en este enlace: [1] Y aquí [2] Más información aquí: [3]

Véase también [editar]

• Física nuclear


• Fisión nuclear


• Procesos nucleares


• Reactores de fusión termonuclear por confinamiento magnético

Enlaces externos [editar]

• Wikimedia Commons alberga contenido multimedia sobre Fusión nuclear.Commons


• El átomo y sus reacciones


• Ciemat


• Fusión nuclear, la energía del futuro


• Energía nuclear: el poder del átomo

Notas y referencias [editar]

1. ↑ «Pages - BeyondITER».


2. ↑ «The Most Tightly Bound Nuclei».

El contenido de este artículo incorpora material de una entrada de la Enciclopedia Libre Universal, publicada en español bajo la licencia Creative Commons Compartir-Igual 3.0.

Obtenido de "http://es.wikipedia.org/wiki/Fusi%C3%B3n_nuclear"

Categoría: Física nuclear

Abandono de la energía nuclear:

Abandono de la energía nuclear

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Estado de la política nuclear actual en el mundo. Países sin reactores, construyendo su primer reactor. Países sin reactores, considerando su construcción. Países con reactores en funcionamiento, situación estable. Países con reactores en funcionamiento y otros en construcción. Países con reactores en funcionamiento y considerando la construcción de nuevos reactores. Países con reactores, considerando su cierre. Países donde la actividad nuclear civil es ilegal.

Planta nuclear en Grafenrheinfeld, Alemania. Se prevé que todas las plantas nucleares alemanas terminen de operar en 2020.

El abandono de la energía nuclear es una opción política consistente en dejar de usar la energía nuclear para la generación de electricidad. La idea incluye en algunos países el cierre de las centrales nucleares existentes. Suecia fue el primer país donde se propuso (1980) (este país es el 9º país que más energía nuclear consume del mundo^[1] ). Siguieron Italia (1987), Bélgica (1999), Alemania (2000) (Alemania es el 4º consumidor mundial de energía nuclear^[1] ) y se ha discutido en otros países europeos. Austria, Holanda, Polonia, y España promulgaron leyes que paralizaron la construcción de nuevos reactores nucleares, aunque en algunos de ellos esta opción se está debatiendo en la actualidad (véase imagen). Nueva Zelanda no utiliza reactores nucleares para la generación de energía desde 1984. Teóricamente el abandono de la energía nuclear debería promover el uso de fuentes de energía renovables.

Contenido [ocultar] 1 Argumentos a favor del abandono 1.1 Seguridad 1.1.1 Riesgo de accidentes y terrorismo 1.1.2 Proliferación nuclear 1.2 Medio ambiente y salud 1.2.1 Residuos radioactivos 1.2.2 Emisiones de radioactividad 1.2.3 Emisiones de CO2 y efecto invernadero 1.3 Razones económicas 1.4 Recurso no renovable 1.5 Existencia de alternativas 2 Argumentos contra el abandono 2.1 Protección ecológica y contra los gases invernadero 2.2 Independencia energética 2.3 Economía 2.4 Niveles de seguridad 3 Países que han tomado alguna opción hacia el abandono 3.1 Bélgica 3.2 Alemania 3.3 Italia 3.4 Países Bajos 3.5 Filipinas 3.6 Suecia 3.7 Suiza 4 Otros países 4.1 España 4.2 Irlanda 4.3 Austria 4.4 Francia 4.5 Bulgaria 4.6 Reino Unido 4.7 Eslovenia 4.8 Finlandia 4.9 Rusia 4.10 Oceanía 4.11 Asia 4.12 Estados Unidos 4.13 México 4.14 América del Sur 4.15 África 5 Revisión 6 Véase también 7 Enlaces externos 8 Referencias

Argumentos a favor del abandono [editar]

Símbolo tradicional de la oposición a la construcción de centrales nucleares.

Seguridad [editar]

Riesgo de accidentes y terrorismo [editar]

• Basándose en las estimaciones del Gobierno alemán, usando la probabilidad de daño al núcleo que se obtuvo en 1980 en los estudios de seguridad de los reactores alemanes de 2.9*10^-5 al año, se puede calcular^[2] que el riesgo de una fusión de núcleo en un periodo de 40 años es del 16% para Europa y de un 40% a nivel mundial. Para los nuevos diseños de reactores los estudios probabilísticos de seguridad obtienen valores de entre 5*10^-7 y 3*10^-8.^[3] Usando estos valores, la probabilidad de que ocurriera un accidente en una central nuclear que conllevara daño al núcleo en las mismas condiciones que ese estudio sería de un 0.3% para Europa o de un 0.9% para el mundo en 40 años. La probabilidad de que ocurrieran dos de estos accidentes en esos 40 años sería de un 0.0005% para Europa y un 0.004% para el mundo.


• Con los datos del estudio alemán, la probabilidad de que uno de estos accidentes ocurra en España sería de un 0.005% como máximo, para una vida útil máxima de 20 años (que es la vida útil que le restaría teóricamente a la más moderna de las centrales nucleares españolas).


• Las consecuencias de un accidente en una central nuclear podrían ser graves. El accidente de Chernobyl fue el accidente nuclear más grave de la historia. Es recomendable consultar el artículo sobre el accidente, donde se ofrecen datos al respecto de los informes más recientes. Las estimaciones de fallecidos hasta el presente van desde los 41 que estiman instituciones como el OIEA, la OMS y otros hasta decenas o centenares de miles según otros (Greenpeace, TORCH, AIMPGN). Las estimaciones de muertes debidas al accidente (principalmente debido a un incremento en la incidencia del cáncer) varían también en un rango entre las 4000 y las decenas o centenares de miles.


• Las centrales nucleares pueden ser objetivo de ataques terroristas:
  
  
  
  • La mayoría de las centrales nucleares fueron construidas en las décadas de 1960 y 1970, y al igual que el World Trade Center, fueron diseñadas para resistir el impacto de los aviones más pequeños. David Kyd, portavoz del OIEA, afirmó literalmente en 2001 que "Si se postula el riesgo de un jumbo cargado de combustible, está claro que el diseño no fue concebido para resistir semejante impacto".^[4] Edwin Lyman, Director Científico del Instituto de Control Nuclear de Washington (EE.UU.) señala que "si un avión comercial se estrellase contra una central nuclear, el reactor no explotaría, pero los sistemas de refrigeración podrían resultar destruidos. En tal caso las varillas de combustible nuclear se sobrecalentarían y producirían una explosión de vapor que podría liberar cantidades letales de radioactividad a la atmósfera".^[5] Existen informes de experimentos llevados a cabo por el Instituto de Investigaciones de Energía Eléctrica americano (EPRI) en los que se pusieron a prueba estas afirmaciones, llegando a la conclusión de que una contención como las usadas en las centrales nucleares occidentales resistiría el impacto directo de un avión Boeing 767-400.^{[6] [7]}
  
  
  • El mismo doctor Lyman, también miembro de la Union of Concerned Scientists, explica que "si un equipo de terroristas bien entrenados consiguiera introducirse por la fuerza en una central nuclear, en cuestión de minutos podría causar suficiente daño para causar la fusión del núcleo y un fallo en la estructura de la contención. Semejante ataque tendría consecuencias devastadoras y duraderas en la salud pública, el medio ambiente y la economía".^[8] David Lochbaum, de la misma organización, añade que "la Comisión Reguladora Atómica (NRC por sus siglas en inglés) exige a las 103 centrales de los EE.UU. que tengan planes de prevención contra el sabotaje de una única persona dentro de la central. Sin embargo, los secuestros (de los aviones del 11-S) fueron obra de entre 3 y 5 terroristas en cada avión, y las regulaciones de la NRC permiten que cientos de personas se encuentren trabajando en centrales nucleares antes de que sus controles de seguridad hayan sido completados".^[5] Estas afirmaciones sin embargo parten del desconocimiento del funcionamiento de una central nuclear comercial, para la que se precisan conocimientos especializados, otorgados solo a un pequeño número de personas anualmente (los operadores de las centrales nucleares)^{[cita requerida]}, y un tiempo considerable para lograr la fusión del núcleo^{[cita requerida]}. En España por ejemplo, es imposible que haya cientos de personas trabajando en centrales nucleares antes de que sus controles de seguridad hayan sido completados.^{[cita requerida]} De hecho, antes de poder tener acceso autorizado a una de estas instalaciones como trabajador, la instalación solicita una serie de informaciones de cada sujeto entre la que se encuentra un informe de penales.^[9]
  
  
  
  


• Existe también el peligro de accidentes (o sabotajes) en otras instalaciones relacionadas con el ciclo del combustible nuclear.

• Otro posible riesgo es el transporte por tren de desechos y materiales radiactivos, que suelen atravesar grandes ciudades ^{[cita requerida]}.^[10]

• Además existe la posibilidad del desvío de materiales nucleares para la fabricación de armas atómicas con fines terroristas. Este supuesto solo puede darse en aquellos países en los que se posean instalaciones de reprocesamiento del combustible gastado nuclear, como Francia, Reino Unido, EE.UU., Japón y Rusia o bien instalaciones de enriquecimiento de uranio.

• También algunas sustancias radiactivas procedentes de los residuos podrían ser sustraídas por los terroristas para la fabricación de bombas sucias.

Proliferación nuclear [editar]

Según los grupos antinucleares, el uso de energía nuclear contribuye a la proliferación de armas nucleares. Israel, India, Corea del Norte y Sudáfrica iniciaron programas "pacíficos" de energía nuclear con reactores para investigación que posteriormente fueron empleados para hacer armas atómicas, y existe la sospecha (apoyada en el hecho de la negativa a una inspección del OIEA) de que el programa de Irán tenga un objetivo similar.

Un arma nuclear puede construirse a partir de:

• Uranio: exige instalaciones de enriquecimiento de uranio. Según Mohamed ElBaradei, Director General del OIEA, "si un país posee instalaciones de enriquecimiento de uranio, en pocos meses podría desarrollar un arma nuclear".^{[11] [12]}


• Plutonio: requiere instalaciones de reprocesamiento, una parte del ciclo nuclear que solo se utiliza en países con un nivel muy alto de tecnología nuclear, como Francia o el Reino Unido. El plutonio es una sustancia de propiedades variables, dependiendo de su origen. Existen varios isótopos distintos, incluyendo el Pu-238, Pu-239, Pu-240, y Pu-241, pero no todos son fisibles: solamente el Pu-239 y Pu-241 pueden fisionar en un reactor de agua ligera (como la mayoría de los occidentales), siendo el plutonio-239 el preferido como combustible nuclear y para la producción de armas nucleares, porque tiene una tasa de fisión espontánea relativamente baja, así como una masa crítica baja. El plutonio "útil" (mayoritariamente Pu-239) se divide, en función de su contenido de Pu-240, en grados (súper: 2-3%; armamento: <7%; combustible: 7-19%; reactor: 19% o superior). El plutonio de "grado de armamento" fue utilizado en la bomba de Nagasaki en 1945 y en muchas otras bombas nucleares. Por otra parte, el plutonio de "grado de reactor" (tal como habitualmente se produce en todos los reactores para energía nuclear comerciales) contiene hasta un 40% de los isótopos más pesados de plutonio, especialmente Pu-240, debido a que ha permanecido en el reactor por un período relativamente largo. Sin embargo la distinción de grados es un tanto arbitraria: los grados de combustible y de reactor son menos apropiados para construir armas nucleares, pero no inservibles para tal propósito (aunque los resultados son menos predecibles). El Ministerio de Energía de EE.UU. (en inglés: U.S. Department of Energy) ha confirmado que en 1962 su país realizó con éxito una prueba atómica con plutonio de grado de reactor.^[13]