Este material es dirigido a alumnos de último año de secundaria, ya que es un periodo en el que los estudiantes tienen un primer acercamiento a la física y a la química de manera conceptual. La información aquí proporcionada servirá para tener un panorama más amplio en cuanto a las aplicaciones de la física y se busca que mediante la multimedia (videos y plantillas) los estudiantes de este nivel se sientan interesados por la energía nuclear y tecnologías de vanguardia.
Autor: Lic. en Física José Yael Montero Grajales - México
Actividad
Lea la información presentada en el siguiente apartado y atienda los vídeos con atención. Posteriormente realice la autoevaluación (estudie el tema las veces que sea necesario antes de evaluar).
Energía Nuclear y aplicaciones de tecnologías nucleares
Introducción
A lo largo de la historia, el ser humano, impulsado por su curiosidad ha estudiado desde las enormes galaxias, hasta las pequeñas partículas invisibles que conforman la materia de la cual estamos hechos. Estos pequeños corpúsculos mueven los aparatos de nuestra casa, nuestra tecnología, incluso nuestro metabolismo y las razones por las cuales corremos tienen que ver con adquirir energía de los alimentos los cuales se componen de moléculas y a su vez de átomos.
El átomo, es algo sorprendente y fundamental para el desarrollo de nuestra sociedad. Claro ejemplo son las plantas de energía atómica, la producción de nuevos medicamentos y diversas técnicas nucleares que hace décadas probablemente se pensaban como ciencia ficción. La energía nuclear, como el título lo dice, es una proeza de la raza humana, ya que intenta trabajar con la formulación teórica y experimental de la física atómica pura, la cual rige a nuestro universo. Estudiar partículas que no se pueden ver ni tocar, requiere paciencia, valor y esfuerzo inverosímiles por parte de los científicos.
Para entender lo que es la energía nuclear primero veremos lo que es el núcleo.
El átomo
El átomo es la porción material menor de un elemento químico. Se compone de protones, neutrones y electrones (componentes que son llamados partículas subatómicas). El átomo es tan pequeño que es invisible a nuestros ojos. Si los átomos que componen nuestro cuerpo fueran del tamaño de una manzana nosotros seríamos tan grandes que el sistema solar entero cabría en la palma de nuestra mano.
A continuación se presenta una imagen a modo de representación:
A lo largo de la historia, los científicos han desarrollado varios modelos atómicos, algunos mas útiles físicamente que otros. Nosotros estamos acostumbrados a imaginar el átomo como la imagen anterior, pero es un simple modelo propuesto por primera vez por el físico Ernest Rutherford en 1911. El núcleo atómico compuesto por protones y neutrones imaginemos que es igual a nuestro sol, y los electrones a los planetas que giran al rededor de él. Pero esto no es para nada así de sencillo.
En el siguiente vídeo se muestra una visión clara y concisa sobre las diversas representaciones del átomo y lo que hoy en día es la representación más realista que podemos imaginar.
Una vez que hemos conocido un poco más a detalle lo que es un átomo, estamos listos para entender como el núcleo de este objeto puede producir energía.
¿Qué es la energía nuclear?
La energía nuclear es la energía contenida en el núcleo de un átomo. Los átomos son las partículas más pequeñas en que se puede dividir un elemento químico manteniendo sus propiedades.
En el núcleo de cada átomo hay dos tipos de partículas, neutrones y protones. Las fuerzas que mantienen unidas las partículas del núcleo entre sí (venciendo incluso las de repulsión electrostática entre los protones) son de naturaleza desconocida y de corto alcance, solo aparecen en el interior de los núcleos y se denominan fuerzas nucleares. La energía acumulada por estas se llama energía de enlace.
Donde Z es el número de protones N es el numero de neutrones, mp y mn las masas del protón y el neutrón, y M la masa nuclear.
Al determinar la masa del núcleo, se observa que es inferior a la suma de la masa de sus componentes. La diferencia entre ambas masas se llama defecto másico.
Por tanto, una parte de la masa del núcleo se transforma en energía de enlace para mantener unidas las partículas del núcleo. Esta energía es la que se libera en forma de una gran cantidad de energía calorífica y radiación cuando tiene lugar una reacción nuclear, y a la que se denomina energía nuclear.
Existen dos tipos principales de reacciones: La fisión y fusión nuclear.
- En la fusión nuclear, la energía se libera cuando núcleos de átomos ligeros se combinan entre sí para formar un núcleo estable más pesado. La energía producida por el Sol tiene este origen.
Reactor de fusión nuclear:
- En la fisión nuclear, núcleos de átomos pesados, sobre los que se hacen incidir neutrones, se descomponen en núcleos más pequeños y ligeros, liberando la energía que mantiene unidos los neutrones y protones que los forman y emitiendo dos o tres neutrones. Estos, a su vez, pueden producir más fisiones al interaccionar con nuevos núcleos pesados que emitirán nuevos neutrones y así sucesivamente, de manera que la reacción se mantenga por sí misma. Este efecto multiplicador se conoce como reacción de fisión nuclear en cadena.
La física nuclear no solo corresponde a el uso en la industria de producción de electricidad o reactores de fisión o fusión, sino que existen muchas ramas unas más conocidas que otras donde hacemos uso de esta tecnología.
Ventajas y desventajas de la energía nuclear
Las más importantes son:
Ventajas
- La energía nuclear es limpia durante su generación. De hecho, la mayoría de reactores nucleares emiten, solamente, inofensivo vapor de agua a la atmósfera. Ni CO2, ni metano, ni ningún otro gas contaminante o que contribuya al cambio climático.
-La física nuclear puede ser aplicada a diversas profesiones.
- Se puede generar una enorme cantidad de energía con solo una central, debido al gran poder de la energía nuclear.
- Es casi inagotable. De hecho, hay expertos que consideran que la deberíamos clasificar como renovable, dado que las reservas de uranio actuales permitirían seguir produciendo la misma energía que ahora durante miles de años.
-Su producción es constante. Al contrario que muchas renovables (como la solar que no se puede generar por la noche o la eólica que no se puede generar sin viento), su producción es enorme y constante durante cientos de días seguidos.
- Excluyendo recargas y paradas de mantenimiento programadas, la energía nuclear funciona a pleno rendimiento.
Desventajas:
- Sus residuos son muy peligrosos. Tanto para la salud como para el medio ambiente en general. Los residuos radiactivos son muy contaminantes, mortales y tardan miles de años en degradarse, lo que hace que su gestión sea muy delicada. De hecho, es un problema que aún no hemos resuelto.
- Los accidentes pueden ser muy graves. Las centrales nucleares están dotadas de grandes medidas de seguridad, pero puede haber accidentes o errores humanos y, en ese caso, resultar muy graves. La Isla de las Tres Millas en Estados Unidos, Fukushima en Japón o Chernobyl en la antigua Unión Soviética son los ejemplos de lo que puede ocurrir.
- Son objetivos vulnerables. Tanto para catástrofes naturales como actos terroristas, una central nuclear es un objetivo que puede causar un enorme daño si se destruye o daña.
