Día Nacional de la energía atómica

El 31 de mayo se conmemora en nuestro país el Día Nacional de la Energía Atómica, debido a la creación de la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA) en 1950. 

Por energía atómica se entiende a la energía obtenida desde la fisión (división) o la fusión (unión) de núcleos atómicos, procesos éstos que producen cantidades de energía increíblemente mayores a las de otros los procesos más convencionales como los de combustión (o energías químicas). A continuación conoceremos un poco más acerca de estos asombrosos procesos y dónde se originan. 

Átomo

Para comprender el origen y magnitud de este tipo de energías, primero deberemos recordar que la materia está formada por átomos. Un átomo consiste en un núcleo central, compuesto por una cierta cantidad de protones (partículas elementales de carga positiva) cuyo número determinará a qué elemento químico pertenece ese átomo, y una cierta cantidad de neutrones (partículas elementales sin carga) que puede variar para un mismo elemento, formando los isótopos de un mismo elemento. Alrededor del núcleo se encuentran los electrones (partículas elementales de carga negativa) ocupando una región del espacio en una forma de “nube deslocalizada”, muy distinta de la antigua imagen del movimiento de los electrones en órbitas fijas similares a la de los planetas alrededor del Sol. La cantidad de electrones alrededor de un núcleo es igual al número de protones, y de este modo los átomos son electricamente neutros.

Fusión nuclear

La fusión nuclear es un proceso en el cual los núcleos de dos átomos del mismo o de diferentes elementos, se unen (fusionan) para formar un nuevo núcleo de otro elemento, más grande y pesado, esto es, con más cantidad de protones y neutrones en el núcleo que los de partida. En este proceso, la masa del núcleo resultante no es exactamente igual a la suma de los dos núcleos que se unieron: sino ligeramente menor. ¿A dónde se va la masa que falta? Se transforma o libera en forma de energía, en una cantidad dada por la famosa ecuación deducida por el físico Albert Einstein, E = mc2, en donde E es la energía liberada, m es la cantidad de masa perdida, y c es el valor de la  velocidad de la luz. Las estrellas, como nuestro Sol, producen inmensas cantidades de energía mediante el proceso de la fusión nuclear en su interior profundo, principalmente de núcleos de hidrógeno.Esa energía es la que hace que las estrellas brillen y llegue a nosotros en forma de luz. Arthur Eddington, (el astrónomo que lideró la expedición para observar el eclipse solar de 1919 en las Islas Príncipe y probó experimentalmente por primera vez la teoría de la relatividad de Einstein, fue el primero que anticipó que la mayor parte de la energía de las estrellas podía provenir de fusión de núcleos de hidrógeno, dando como resultado la formación de núcleos del elemento helio. 

Este es el proceso por el cual se forman en el universo a partir del hidrógeno los diferentes elementos químicos con mayor número de protones en el núcleo, hasta el hierro. En cambio, para fusionar dos núcleos de número atómico más grande que el de hierro es necesario entregarle energía. En las explosiones de supernovas, por ejemplo, se genera la energía suficiente como para impulsar la formación de los elementos más pesados que el hierro, como el cobre o el oro por ejemplo. En consecuencia, la abundancia de los elementos más pesados que el hierro en el universo es significativamente menor que la de elementos más livianos.

Desde los años 1940, numerosos esfuerzos se han realizado para lograr la construcción de reactores de fusión nuclear, de forma de poder aprovechar esta fuente de energía. Los mayores desafíos a vencer son lograr las altisimas presiones y temperaturas (en el orden de decenas de millones de grados centígrados) necesarias para que ocurra este proceso. 

En más de una ocasión, científicos han intentado proponer mecanismos para lograr obtener energía mediante fusión nuclear en condiciones de presión baja y temperatura ambiente, a esto se le llama fusión fría. Hasta ahora, nadie lo ha logrado, ni hay ningún modelo físico teórico que sostenga estas afirmaciones. La utilización práctica de éste tipo de procesos para producir  energía está muy lejos aún de ser una realidad, por las dificultades tecnológicas que implica.

Una historia muy curiosa se dio en nuestro país, cuando en 1947, un científico austríaco llamado Ronald Richter, que emigró a la Argentina al finalizar la Segunda Guerra Mundial, consiguió financiamiento y aprobación por el entonces presidente Juan Domingo Perón para construir una central nuclear de fusión fría. Richter afirmó que produciría enormes cantidades de energía de forma muy económica, lo que convertiría a la Argentina en una potencia mundial. Dicha central se construyó en la Isla Huemul, en el lago Nahuel Huapi, cerca de la costa de la ciudad de Bariloche. En este contexto se crea en 1950 la Comisión Nacional de Energía Atómica. En 1952, una delegación formada por numerosos científicos, entre ellos el joven José Antonio Balseiro, puso fin al proyecto, mostrando a Richter como el fraude que era. Este sería el punto de partida para la formación en 1955 del Instituto Balseiro, hoy en día uno de los centros científicos más prestigiosos en cuanto a investigación en física nuclear. En la Isla Huemul todavía pueden visitarse los restos de las estructuras que formaban los laboratorios de Richter.

Actualmente se está construyendo en Cadarache, al sur de Francia, el megaproyecto de investigación de ingeniería de fusión nuclear ITER (Reactor Termonuclear Experimental Internacional). Con 35 países involucrados en su desarrollo, el propósito es demostrar la viabilidad científica y tecnológica de la energía de fusión como una nueva forma de energía segura, limpia e ilimitada. Tiene planificado comenzar con las operaciones de generación de potencia para el 2035, constituyendo el experimento de física de plasma de confinamiento magnético más importante y el reactor experimental de fusión nuclear más grande del mundo.

Fisión nuclear

Como dijimos más arriba, todos los átomos correspondientes a un mismo elemento químico tienen el mismo número de protones en el núcleo, pero puede haber diferencias en el número de neutrones. Éstos son los que llamamos isótopos de un elemento.

Algunos de isótopos de elementos son estables, lo que significa que se mantienen sin ningún cambio a lo largo de todo el tiempo, o lo sufren algún cambio en un lapso de tiempo suficientemente prolongado, digamos unos cuantos cientos de millones de años. Por ejemplo, el Estaño (con 50 protones) es el elemento que más isótopos tiene ya que posee 10 isótopos naturales estables conocidos.

Otros isótopos en cambio son inestables, es decir, sufren procesos en el núcleo donde cambian su composición o decaen, transformándose en otros núcleos estables. En este proceso el núcleo de partida sufre espontáneamente una ruptura donde pierde protones y neutrones, produciendo núcleos de otros elementos químicos más livianos. Este proceso puede tardar fracciones de segundos para algunos elementos hasta millones de años para otros. Este fenómeno fue observado por primera vez por Henri Becquerel y los esposos Pierre y Marie Curie, en el elemento Radio, descubierto por éstos últimos en 1898. A medida que el Radio lentamente decae  transformándose en otros elementos, primero en Radón y luego en Plomo, emite energía de modo espontáneo y continuo en forma de partículas elementales y radiación electromagnética de alta energía. Esta característica fue denominada por Marie Curie como radioactividad.

Ahora bien, ¿qué pasaría si bombardeaba el Uranio, el elemento más pesado conocido en la naturaleza hasta ese momento, con un neutrón? A esa tarea se abocaron, hacia finales de 1938, los científicos alemanes Otto Hahn y Fritz Strassmann. Sin embargo, en vez de ocurrir un pequeño cambio en el núcleo del átomo de uranio al incorporar un neutrón adicional, como se esperaba, se encontró que el resultado fue la formación dos elementos livianos, cuyas masas sumadas era menor a la masa del átomo de Uranio original. ¿Qué había ocurrido? ¿Dónde estaba la masa faltante?. Hahn y Strassmann no tenían explicaciones concluyentes para sus resultados. 

Finalmente, en 1939, Lise Meitner, física austriaca que estaba trabajando con Hahn, encontraría la respuesta. La masa residual que faltaba se había convertido en energía según la famosa ecuación de Albert Einstein. ¡Ahora todo parecia tan simple! El núcleo de Uranio al ser bombardeado con neutrones estallaba en pedazos liberando una gran cantidad de energía. Habían descubierto la fisión nuclear.

Este proceso de transmutación natural abrió paso a una idea, ¿se podrá realizar una transformación similar sobre algún núcleo de manera artificial? Para lograr esto, sería necesario hacer impactar, como proyectiles, partículas similares a las que emitía el Radio sobre el núcleo de algún elemento inestable.

Fue así como el investigador británico Patrick Blackett, trabajando con Ernest Rutherford, realizaron la primera transmutación artificial en 1925. Al bombardear núcleos de Nitrógeno con partículas alfa (formada por 2 protones y 2 neutrones) encontró que uno de los protones de una partícula alfa fue absorbido por el núcleo de un átomo de Nitrógeno, convirtiéndolo en el núcleo del átomo más pesado siguiente en la Tabla Periódica, el Oxígeno.

Ahora bien, ¿qué pasaría si bombardeaba el Uranio, el elemento más pesado conocido en la naturaleza hasta ese momento, con un neutrón? A esa tarea se abocaron, hacia finales de 1938, los científicos alemanes Otto Hahn y Fritz Strassmann. Sin embargo, en vez de ocurrir un pequeño cambio en el núcleo del átomo de uranio al incorporar un neutrón adicional, como se esperaba, se encontró que el resultado fue la formación dos elementos livianos, cuyas masas sumadas era menor a la masa del átomo de Uranio original. ¿Qué había ocurrido? ¿Dónde estaba la masa faltante?. Hahn y Strassmann no tenían explicaciones concluyentes para sus resultados. 

Finalmente, en 1939, Lise Meitner, física austriaca que estaba trabajando con Hahn, encontraría la respuesta. La masa residual que faltaba se había convertido en energía según la famosa ecuación de Albert Einstein. ¡Ahora todo parecia tan simple! El núcleo de Uranio al ser bombardeado con neutrones estallaba en pedazos liberando una gran cantidad de energía. Habían descubierto la fisión nuclear.

Vemos así que los procesos de fisión y fusión nuclear son opuestos: 

• Con la fusión (unión) de núcleos livianos se forman núcleos de elementos más pesados, y con la fisión (ruptura) de núcleos pesados se obtienen núcleos de elementos más livianos. En ambos casos se liberan grandes cantidades de energía.
• Para lograr la fusión de núcleos livianos, o la fisión de núcleos pesados, es necesario primero entregar energía o bombardear el núcleo con partículas elementales.

La energía liberada en cualquiera de los dos tipos de procesos nucleares estaba directamente relacionada con la masa que desaparecía en el proceso, considerando el balance entre la masa del material inicial y la de los productos finales. El factor de proporcionalidad entre la masa que se pierde y la energía que se produce es el cuadrado de la velocidad de la luz, lo que nos muestra claramente que en los procesos nucleares, ínfimas cantidades de masa se transforman en inmensas cantidades de energía.

Estos científicos también descubrieron que, a partir de la fisión del núcleo de uranio, se podían obtener suficientes neutrones para continuar produciendo sucesivas fisiones en núcleos cercanos, resultando en una reacción en cadena. La cantidad de materia con posibilidades de fisionarse necesaria para llegar a la situación de sostener una reacción en cadena, se llama masa crítica.

Si se deja que la reacción de fisión en cadena ocurra en forma descontralada, nos encontramos con la situación de una explosión nuclear, en cambio si se asegura el control de esta reacción en cadena, la energía liberada puede ser aprovechada para aplicaciones tecnológicas, producir electricidad o impulsar grandes embarcaciones.

Un arma nuclear necesita gran cantidad de núcleos atómicos pesados fisibles, como los isótopos Uranio-235 o Plutonio-239, para asegurar una reacción en cadena, instantánea y descontrolada, que libera enormes cantidades de energía. Este fue el caso de las bombas nucleares que se arrojaron sobre las ciudades japonesas de Hiroshima y Nagasaki, en agosto de 1945, durante la Segunda Guerra Mundial.

En cambio, un reactor nuclear, para producir energía en forma aprovechable, debe estar diseñado para mantener esa reacción en cadena bajo control y con una baja velocidad, en términos de núcleos que sufren fisión por unidad de tiempo. Esto se logra utilizando un combustible nuclear (el material fisionable) con apenas el 3% en masa de Uranio-235. El resto del material es Uranio-238, un isótopo del uranio más inerte y que reacciona con mucha lentitud a la fisión. Además se agregan elementos llamados moderadores, como el agua, agua pesada (agua formada por el isótopo 2 del hidrógeno, el Deuterio), grafito o sodio metálico, que desaceleran los neutrones producidos en la ruptura de los núcleos, y barras de control, hechas de Cadmio o Boro, que los absorben. Con estos materiales se logra que el reactor funcione produciendo una cantidad de energía posible de ser manejada y aprovechada con seguridad, e inclusive permiten detener completamente la reacción en cadena si fuera necesario.

Central Nuclear de Fisión

El objetivo principal de toda central nuclear de alta potencia (alta cantidad de energía producida por unidad de tiempo) consiste en aprovechar la energía de fisión nuclear presente en el reactor para calentar agua hasta convertirla en vapor. Luego este vapor a elevada presión acciona una turbina que se encuentra acoplada mecánicamente a un generador de energía eléctrica. El concepto, muy simple en el fondo, es que el reactor nuclear provee la energía necesaria para generar vapor y con éste, mover la bobina de un generador de electricidad. El avance tecnológico reside en que, en forma convencional, esta energía hubiera sido aportaba por la combustión de grandes cantidades de carbón o petróleo.

A modo de descripción general, podemos mencionar que un reactor nuclear de fisión posee tres ciclos o circuitos de agua independientes: uno para la refrigeración (enfriamiento) del reactor o circuito primario; otro para la generación de vapor o circuito secundario (ambos circuitos son cerrados) y un último circuito de enfriamiento que generalmente emplea agua obtenida a partir de algún cuerpo de agua de gran magnitud, como un lago o un rio de alto caudal.

Existe una gran diversidad de centrales nucleares en el mundo, categorizadas en función del tipo de material combustible y el tipo de agua o fluido que se emplea en los ciclos de refrigeración y vapor.

Centrales de Argentina

En Argentina actualmente existen tres centrales nucleares: Atucha I y Atucha II, ubicadas en  sobre la margen del Río Parana de las Palmas, a unos 100 km de la Ciudad de Buenos Aires, y la Central de Embalse, ubicada en nuestra provincia de Córdoba, en las márgenes del embalse del Río Tercero. Todas estas centrales utilizan agua pesada en el ciclo primario como refrigerante del reactor.

La central de Atucha I fue la primera central de América Latina, su construcción se inició en 1968 y está funcionando desde 1974. Usa como combustible una mezcla de uranio natural y uranio enriquecido (con una cantidad levemente mayor de isótopos de Uranio-235 que el natural), y es moderada con agua pesada. Su potencia eléctrica bruta actual (máxima potencia que puede generar en condiciones normales de funcionamiento) es de 362 MW (mega watios).

La central de Atucha II, en cambio utiliza como combustible al uranio natural, funciona en el mismo centro que Atucha I, siendo una central más moderna. Se comenzó a construir en 1982, pero su construcción se detuvo entre 1994 y 2006, activando finalmente su funcionamiento en 2014. Su potencia eléctrica bruta es de 745 MW.

La central de Embalse fue cronológicamente la segunda central construida en nuestro país e inaugurada en 1974, y su potencia bruta es de 648 MW. Entre 1984 y 2015 finalizó su ciclo operativo, por lo que permaneció sin uso hasta 2019, cuando se finalizó el proyecto y actualizaciones para extender su vida útil por otros 30 años. En particular, además de energía eléctrica, esta central produce el isótopo 60 del cobalto, para uso interno y exportación, que es de gran importancia para aplicaciones en la medicina, la investigación y la industria.

Argentina tiene, desde 1982, control completo sobre el ciclo de desarrollo de combustible nuclear, lo que significa que se dispone de los conocimientos y la tecnología necesaria para ir desde la obtención del mineral de uranio (nuestro país dispone de yacimientos de uranio), su enriquecimiento en el isótopo U-235 hasta la fabricación final de las pastillas de dióxido de uranio, que se insertan en el corazón del reactor. El agua pesada y el material combustible necesario para la central son producidos íntegramente en el país.

Por otro lado, en febrero de 2014 en la localidad de Lima, Buenos Aires, se comenzó la construcción del Carem 25, la primera central nuclear de potencia íntegramente diseñada y construida en Argentina. El prototipo generará una potencia de 27 MW y contará con, al menos, el 70% de sus insumos, componentes y sistemas provistos por el complejo tecnológico industrial nacional.

Esto posiciona al país en la vanguardia del desarrollo nuclear con fines pacíficos de producción  de energía eléctrica latinoamericano, lo que contribuye a lograr autonomía e independencia energética frente a las décadas porvenir.

Las fuentes de energía empleadas en Argentina

La energía nuclear no es la principal fuente de energía en nuestro país, tan solo cubre alrededor del 3% de los requerimientos totales. El siguiente gráfico muestra la matriz energética que correspondía a la producción aproximada de Argentina en el año 2016. 

La energía nuclear tiene un gran potencial para convertirse en una mayor fuente de energía, frente a la necesidad de reducir el uso de energías de fuentes no renovables como los combustibles fósiles. Sin embargo, no es una energía “limpia” y el tratamiento y disposición final de los residuos del combustible agotado y el resto de los materiales y componentes del reactor que han adquirido niveles de radioactividad que requieren su aislamiento permanente, es una materia aún en desarrollo.

 

Fuentes

https://bariloche.org/richter-y-el-fraude-del-proyecto-huemul/

https://www.argentina.gob.ar/economia/energia/energia-electrica/nuclear/centrales

https://www.argentina.gob.ar/sites/default/files/caligari_-_energia.pdf

https://plazacielotierra.org/mentes-maestras-lise-meitner

El Mundo de la Energía Nuclear, Alexander Efron, Editorial Bell, 1971

The Making of the Atomic Age, Alwyn McKay, Oxford University Press, 1984.

A is for Atom, John Sutherland y General Electric Films, 1953.

Atomic Energy an Introduction, Enciclopaedia Britanica Films, 1946.