Algunos isótopos son inestables y se transforman espontáneamente en otros elementos, emitiendo partículas o energía que pueden provocan reacciones químicas, como transformar oxígeno (O2)en ozono (O3), destruir o modificar el ADN de células vivas. A este fenómeno de liberación se le conoce como radiactividad natural y pueden durar miles de millones de años.

La radiactividad puede ser de cuatro tipos:

• Radiación alfa (α): son núcleos de helio (24He) de gran energía, son expulsados a 20.000 km/s pero pueden ser detenidos por una hoja de papel.
• Radiación beta (β): son electrones (e-) emitidos a velocidad próxima a la de la luz, son detenidos por una lámina de metal.
• Radiación gamma (γ): son ondas electromagnéticas que viajan a la velocidad de la luz, y llegan a atravesar placas de acero de 5 a 15 cm de grosor.
• Neutrones: partículas procedentes del núcleo, que alcanzan 16.000 km/s , pero se pueden frenar y detener con agua.

Las reacciones nucleares consisten en provocar artificialmente la transformación de elementos, con lo cual se genera calor, energía cinética (las partículas emitidas tienen velocidades desde 20.000 km/s en el caso de la radiación α hasta velocidades próximas a la de la luz en la radiación β) y calor, pues siempre se desintegra una parte de masa que se transforma en energía según la ecuación de Einstein:

E = m·c²

En las reacciones nucleares de fisión se aprovecha la energía liberada al romper átomos de núcleos pesados, como el uranio 235 (235U) o el plutonio 239 (239Pu). Para ello se bombardean los núcleos de los átomos con neutrones de baja velocidad, el uranio los absorbe y se convierte en uranio 236, que es muy inestable. Éste se rompe en dos fragmentos (bario 141Ba y kriptón 92Kr), liberando radiación β y dos o tres neutrones rápidos. En este proceso hay una pérdida de masa de 3,57·10-25 gramos.

Cuando no se detiene a estos neutrones rápidos, pueden chocar con otros átomos de uranio y se produce una reacción en cadena que da lugar a una explosión. Para ello es necesaria una cantidad de sustancia conocida como masa crítica, suficiente como para que los neutrones encuentren un núcleo antes de que salgan fuera de la masa de uranio.

Para evitar que se produzca una explosión, el proceso se realiza dentro de una vasija o reactor nuclear lleno de un moderador que frena la velocidad de los neutrones. Además, para limitar el número de neutrones se dispone de unas barras de boro o cadmio que se introducen entre el combustible, pues estos materiales absorben neutrones. Son las barras de control.

Después de ser frenados, los neutrones ya van a velocidades lentas (se les denomina neutrones térmicos), y pueden ser absorbidos por las barras de control, chocar con un átomo de 238U, o con otro átomo de 235U, produciendo una nueva fisión y generando calor. Para aprovechar el calor generado se hace pasar un refrigerante como gas o sodio fundido, o con mayor frecuencia agua, que actúan no sólo como refrigerante, sino también como moderador.

El combustible es una mezcla de 238U enriquecido artificialmente hasta con un 5% de 235U, que se introduce en barras o vainas de acero sujetas a un armazón metálico de sección cuadrada llamado elemento combustible; a él también van adosadas las barras de control.

CENTRALES NUCLEARES

Son instalaciones similares a las centrales termoeléctricas clásicas de combustibles fósiles, con el calor generado en un reactor de fisión. El reactor está encerrado dentro de una vasija de acero de 20 cm de grosor. El refrigerante se introduce por la parte inferior del reactor y calor que recoge se aprovecha para hacer girar turbinas de vapor que, a su vez, impulsan a un alternador para producir energía eléctrica.

La vasija está en el interior de un edificio de contención, construido con paredes de hormigón de hasta 5 m de grosor, recubiertas interiormente por un revestimiento de acero. Dentro de este edificio se alberga todo el material que tenga contacto con la radiactividad, incluso se mantiene una ligera depresión del aire en el interior para que no haya escapes, y hay unas piscinas para almacenamiento de combustible nuevo y gastado. Otro edificio contiguo alberga las instalaciones auxiliares de control y generación. Estas centrales se denominan centrales de neutrones lentos o térmicos, y existen dos tipos, dependiendo de que el circuito de agua que pasa por el reactor pase o no por la turbina:

Las centrales de agua en ebullición (BWR) tienen un circuito primario de agua que pasa por el reactor y tras evaporarse, el vapor pasa por la turbina. Un circuito secundario condensa el agua del circuito primario.

En las centrales de agua a presión (PWR) el circuito primario de agua que pasa por el reactor y se usa para evaporar agua de un circuito secundario, y este vapor es el que pasa por la turbina. Un circuito terciario condensa el agua del circuito secundario.

Las nuevas investigaciones avanzan en el campo de centrales de neutrones rápidos, en las cuales no hay moderador y el combustible es plutonio 239. Además, se aprovecha el plutonio procedente de la desmantelación de armamento nuclear. Aunque se utilizan tecnologías muy avanzadas, los rendimientos de las centrales termonucleares tienen valores alrededor del 0,08%. En climas muy fríos se aprovecha el calor residual como calefacción, con lo que el rendimiento de la cogeneración alcanza hasta el 2,5 %.

OTRAS APLICACIONES

En las armas atómicas se permite la reacción en cadena, juntando varios trozos de uranio o plutonio mediante una explosión de dinamita. Esto completa la masa crítica de combustible y la energía generada provoca una onda de presión y temperatura elevadísimas.

Las hélices propulsoras de algunos barcos y submarinos giran gracias a las turbinas alimentadas con vapor generado en un reactor nuclear. Estas naves llegan a estar hasta dos años sin tocar puerto.

En muchos casos se desprecia la creación de energía, pero se hace uso de la radiación:

• Aplicaciones en la salud: radiografías, tratamiento de cánceres o esterilización de instrumental.
• Aplicaciones industriales: radiografías a piezas metálicas para inspeccionar roturas o defectos en soldaduras.
• Aplicaciones agrícolas: irradiando insectos para esterilizarlos o alimentos para su conservación.
• Aplicaciones en investigación histórica: mediante la datación de antigüedad por el carbono 14.

RESIDUOS Y DESMANTELAMIENTO

Una de las bazas de la energía nuclear es la nula emisión a la atmósfera de dióxido de carbono, pero a cambio, la posibilidad de contaminación radiactiva se extiende a todo el llamado ciclo del uranio, y que comprende la extracción en la mina, el refino y enriquecimiento, el trabajo en la central y la evacuación y tratamiento de los deshechos radiactivos.

En las centrales se tienen unos niveles de radiación muy inferiores al producido por otras fuentes naturales o artificiales, y la contaminación se debe principalmente a escapes y a los residuos.

Los residuos gaseosos y líquidos como el aire de las minas y centrales nucleares se filtra y se expulsa a la atmósfera en concentraciones legales. Los resíduos sólidos de combustible gastado siguen teniendo alta actividad y se suele almacenar en la propia central. Sin embargo, los resíduos de media y baja actividad se transportan a factorías de regeneración para extraer el material fisible que quede y los residuos, así como los procedentes de hospitales o minas, se funden junto con una masa vítrea y se introducen en bidones recubiertos interiormente de hormigón y almacenados en zonas geológicamente estables como minas de sal o el propio fondo marino.

La parada definitiva de una central nuclear pueden realizarse de tres distintas formas o niveles: en el nivel 1 se hace un mantenimiento indefinido de la central sin funcionar; en el nivel 2 se desmantelan las zonas convencionales y se mantienen las zonas activas o se rellenan de hormigón; en el nivel 3 se desmantela o se rellena totalmente de hormigón la central.

Para saber más sobre el tema:

Simulador de control de una central nuclear

¿Cómo se controla una central nuclear?