ENERGÍA NUCLEAR DE FISIÓN

La famosa fórmula E=mc2 ha pasado ya ha formar parte de la cultura popular aún sin que en realidad se llegue a saber que implica.

INTRODUCCIÓN

E=mc² expresa la relación entre masa y energía, es decir, que una cantidad de masa puede convertirse en ingentes cantidades de energía, y viceversa. Por ejemplo, de un gramo de uranio, si se convirtiese totalmente en energía se obtendrían 25 millones de Kw.

Aplicado como una bomba nuclear basta decir que para asolar Hiroshima sólo se convirtió un gramo de masa (aunque toda la bomba como mecanismo pesara cuatro tonelada); su potencia fue de 12,5 kilotones, es decir, para igualar su potencia serían necesarios 12500 toneladas de TNT. La materia usada en una bomba nuclear suele ser uranio 235 o plutonio 239, ya que debido a su gran densidad las hace ideales como combustibles de fisión.

Cuando en un espacio se reúne la suficiente cantidad de materia (denominada masa crítica) se produce una reacción en cadena espontánea; esto es: el núcleo de los átomos del material se divide liberando energía y varios neutrones "rápidos" que provocan que otros núcleos también se dividan y liberen más energía y neutrones. Sin embargo, si la densidad no es suficiente la energía liberada hace que el material se expanda y se detenga el proceso. Para evitar que se pare la reacción se recurre a una materia muy densa de por sí (isótopos del uranio y plutonio) que además se comprime de manera muy rápida para lograr una altísima densidad que permite que los neutrones "rápidos" choquen antes con otros núcleos y se produzcan antes el mayor número de divisiones.

Como la cantidad de divisiones aumenta exponencialmente (por ej.: 2, 4, 16, 256...) es casi al final del proceso cuando se libera más energía. Para una explosión de 100 kilotones son necesarias 58 generaciones, las 7 últimas generan el 99,9 % de la energía en un periodo corto de tiempo. También puede liberarse energía con la fusión, en este proceso los núcleos se unen en vez de separarse, pero se requieren altísimas temperaturas (del orden de millones de grados) para que este proceso se lleve a cabo. Para esta reacción se usan átomos ligeros (más fáciles de unir), generalmente hidrógeno o sus isótopos (deuterio y tritio). Para unir dos átomos "basta" con hacerlos chocar. Los protones de cada átomo se repelen debido a que ambos tienen carga positiva, de modo que no llegan a acercarse lo suficiente para que se unan (gracias a la fuerza nuclear fuerte). Por eso, para que se lleve a cabo la fusión deben comprimirse fuertemente los núcleos, y una vez hecho sólo podrán continuar unidos si pierden un equivalente de la energía que les hizo apretarse. En el caso de usar deuterio y tritio se libera violentamente un neutrón. Esta energía liberada es la que forma una bomba de fusión, también denominada bomba H.

BOMBA NUCLEAR

Sea cual fuere el sistema de funcionamiento de una bomba nuclear (fusión o fisión), una cantidad de masa se convierte en energía, la potencia sólo depende de la capacidad de la ingeniería para convertir más masa antes de que la reacción disperse las moléculas; en teoría la potencia es, por tanto, ilimitada.

Una bomba nuclear consiste básicamente en una esfera hueca de plutonio que no es lo suficientemente densa como para producir una reacción en cadena. En su interior se encuentra un mecanismo iniciador de neutrones, y el exterior se encuentra revestido de un material explosivo.

Para iniciar la explosión se disparan los detonadores que hacen que el material explosivo estalle de la manera lo más regular posible para que envíe una onda de choque esférica hacia el plutonio. Cuando ésta impacta contra él lo comprime y reduce su volumen empujándolo hacia el centro de la esfera hasta que alcanza una densidad suficiente (supercrítica) y se dispara el iniciador de neutrones para comenzar la reacción en cadena que da lugar a la explosión nuclear.

Las bombas termonucleares, de fusión o H, necesitan de una gran temperatura para que se puedan unir los núcleos, esto se consigue en el interior de una explosión de fisión, que es el comienzo de toda bomba H.

Una vez acabada la reacción de fusión nos encontraremos con una esfera expandida con una temperatura de millones de grados en la que pululan los productos de la fusión (litio e isótopos del hidrógeno). Tal es su velocidad que pueden fundirse unos con otros dando lugar a la reacción de fusión. Esta reacción genera más energía que la anterior y libera gran cantidad de partículas nucleares, pero no es una reacción en cadena, ya que el propio calor que genera hace que las partículas se separen y se expandan en forma de una esfera de plasma con una temperatura que tan sólo experimenta el universo de manera natural en muy raras ocasiones. Pero antes de que la reacción se extinga, los neutrones generados por las detonaciones anteriores provocan de nuevo una reacción de fusión sobre una camisa de U-238, pero esta vez mucho mayor que las anteriores. La potencia de una bomba termonuclear carece de límite; una bomba como la de Hiroshima de 12,5 kilotones (un kilotón equivale a 1.000 toneladas de TNT) se considera dentro de los arsenales modernos como pequeña, siendo la de un megatón la "standard". En la URSS llegaron a detonar una de 60 megatones. Un submarino norteamericano Trident posee el poder destructivo equivalente a 25 veces el de toda la Segunda Guerra Mundial.

La desintegración del uranio en la reacción en cadena se produce de manera espontánea para una masa de 50 Kg. si éste elemento es puro. El plutonio no es capaz por si solo de comenzar una rápida reacción en cadena de modo que se mezcla de berilio y polonio, dando como resultado un producto que, aunque no es fisionable por si solo, una pequeña cantidad actúa como catalizador para las grandes reacciones. Así bastan 16 Kg. de PU-239 para obtener la masa supercrítica, y 10 Kg. si se mezcla con U-238.

El U-235 es muy difícil de extraer por encontrarse en la naturaleza muy mezclado con otros compuestos. Así, por cada 25.000 toneladas de mineral de uranio bruto sólo se obtienen 50 toneladas de uranio, del que el 99´3% es U-235 y el resto el rarísimo isótopo U-238; ambos sólo se pueden separar de manera mecánica gracias a la levísima diferencia de peso entre ambos. Así, el uranio se mezcla en forma gaseosa con flúor (hexafluorídrico) que es impulsado a baja presión haciéndolo pasar por unas cámaras, que aumentan la concentración de uranio sensiblemente tras cientos de pasadas. Para una central nuclear la pureza ha de ser del 2% y para una bomba (teóricamente) el 95%.

Para separar el isótopo se recurre a la centrifugación del gas, siendo el más pesado U-238 despedido hacia el exterior con más fuerza. Para obtener otra vez el uranio separado del gas se recurre a la separación magnética.