VIII. LA ENERG�A DE LOS N�CLEOS DE LOS �TOMOS

VIII. 1. LA FISI�N NUCLEAR

EN 1932, el f�sico ingl�s James Chadwick descubre el neutr�n. Con ello se abren las puertas para seguir las investigaciones que conducir�an a Enrico Fermi a construir en Chicago la primera pila o reactor nuclear. El neutr�n es una part�cula que no tiene carga el�ctrica y su masa es casi igual a la del prot�n. Ambas part�culas forman el n�cleo de un �tomo.

Chadwick trabaj� para Ernest Rutherford, quien propuso el modelo del �tomo, constituido por un n�cleo central cargado positivamente y electrones girando a su alrededor. El modelo de Rutherford, junto con el tratamiento cu�ntico que le dio el f�sico dan�s Niels Bohr, conforman la descripci�n cl�sica del �tomo. La descripci�n moderna incluye un n�cleo, compuesto de protones, neutrones —que a su vez est�n compuestos por part�culas m�s elementales llamadas quarks— y electrones representados como una nube con una cierta probabilidad de encontrarlos en un lugar determinado.

En el texto en que Chadwick anuncia su descubrimiento dice as�:

Para explicar el gran poder de penetraci�n de la radiaci�n debemos suponer que la part�cula no tiene carga neta. Podemos tambi�n suponer que se trata de una combinaci�n cerrada de prot�n y electr�n, el neutr�n discutido por Rutherford en su Conferencia Baqueriana en 1920. (Proc. Roy. Soc. of London, vol. A 136, 1932).

Pero, �cu�l es la relaci�n entre el neutr�n y la energ�a nuclear? Primero, hay que conocer la estructura del n�cleo at�mico y, segundo, tomar en cuenta que los neutrones son los responsables de las reacciones en cadena. Al bombardear un �tomo pesado con neutrones, el n�cleo de �ste se rompe o se fisiona, liberando en el proceso una enorme cantidad de energ�a. Al fisionarse puede emitir tambi�n neutrones, y si �stos son dos o tres, chocar�n con otros �tomos, produci�ndose una reacci�n en cadena. Por esta raz�n, el descubrimiento del neutr�n es decisivo en la energ�a nuclear y en particular para producir energ�a �til en un reactor nuclear.

En 1933, los esposos Fr�d�ric Joliot e Irene Curie descubren que al bombear una delgada l�mina de aluminio con part�culas alfa (n�cleos de helio) provenientes de una fuente de polonio, se produce una radiaci�n muy intensa. Es as� como nace la radiactividad artificial.

El f�sico italiano Enrico Fermi demuestra en 1934 que al hacer incidir un haz de neutrones en la parafina, �stos se desaceleran, debido a los choques el�sticos con los �tomos de parafina y, lo m�s importante, que los neutrones lentos son m�s efectivos para producir algunas reacciones nucleares. En 1935 la qu�mica Ida Noddack propone la primera explicaci�n de la fisi�n nuclear.

Mientras esto ocurr�a, el equipo de Fermi bombardeaba con una fuente de neutrones el uranio y hab�a encontrado un nuevo elemento de n�mero at�mico 93 que sufr�a "ulteriores desintegraciones cuya naturaleza a�n no ha sido aclarada", seg�n afirma Otto Mar�a Corbino, impulsor de Fermi.

Ida Noddack hab�a escrito una carta a la Revista de Qu�mica Aplicada, en la que se�alaba: "Cabe pensar que al bombardear n�cleos pesados con neutrones, estos n�cleos se descompondr�n en varias partes menores, las cuales, si bien ser�n is�topos de elementos conocidos, no ser�n vecinos de los elementos sujetos a radiaci�n." Pese a que Ida Noddack envi� al equipo de Fermi un art�culo con su propuesta, no le hicieron caso. Aunque se�ala Emilio Segr�, colaborador de Fermi, "tampoco Noddack se molest� en realizar los simples experimentos que pod�an sustentar su hip�tesis."

Mientras Fermi recibe en 1938 el Premio Nobel por la producci�n de elementos radiactivos artificiales a partir de neutrones, se entera de que se ha logrado romper el n�cleo at�mico con neutrones.

Otto Hahn y su disc�pulo Fritz Strassmann comunican su resultado: "Como qu�micos, debemos decir que el producto obtenido es bario, no radio, pero como qu�micos nucleares no podemos persuadirlos de este salto, en contradicci�n con todos los conocimientos previos de f�sica nuclear. Tal vez, despu�s de todo, nuestros resultados se volvieron enga�osos por una serie de extra�os accidentes".

Otto Hahn comunica el hallazgo a su ayudante Lise Meitner, f�sica austriaca de ascendencia jud�a a quien el fascismo hace huir a Suecia, pero que segu�a de cerca las investigaciones de Hahn y lo hab�a asistido durante m�s de treinta a�os. Lise se re�ne con su sobrino en Kungalv, quien est� de vacaciones: se trata del f�sico Otto R. Frisch, quien trabajaba en la misma direcci�n. Lise le da a leer la carta de Hahn y ambos interpretan correctamente el experimento que Hahn y Strassman no se hab�an atrevido a considerar como fisi�n nuclear. Efectivamente, bombardeando uranio con neutrones se producen dos elementos que nada tienen que ver con �ste: bario y kript�n. Frisch viaja a Copenhague para comunicarle a Niels Bohr su descubrimiento, pidi�ndole que lo mantenga en secreto hasta que �l y Frau Meitner publiquen los resultados. A Frisch se le ocurre la idea de designar al fen�meno con el nombre de fisi�n nuclear, tras preguntar a un bi�logo por el nombre que se utilizaba para referirse a una c�lula que se parte en dos. Cinco a�os m�s tarde sale publicado el art�culo en la revista Nature, y esta demora les da ventaja a Hahn y Strassman, quienes reciben el Nobel por el descubrimiento.

Poco despu�s, Bohr y Wheeler (en aquella �poca su ayudante) exponen la teor�a de que el is�topo de uranio-238 (el m�s abundante en la naturaleza) produce fisi�n s�lo si se bombardea con neutrones r�pidos (con energ�as mayores al megaelectr�n- volt), mientras que el uranio-235 se puede fisionar con neutrones lentos. M�s tarde, A. Nier y J. R. Dunning confirman experimentalmente la hip�tesis de Bohr.

Fermi y Bohr eran las cabezas de las investigaciones nucleares de la �poca. En agosto de 1939, Leo Szilard, tambi�n pionero de la fisi�n, junto con varios compa�eros h�ngaros, convencen a Albert Einstein para que firme una carta dirigida al entonces presidente de Estados Unidos Franklin Delano Roosevelt, advirti�ndole del peligro que entra�aba el descubrimiento de la fisi�n del �tomo.

La famosa carta, a�n en controversia, sin justificaci�n, dado que Einstein no particip� en la construcci�n de la bomba at�mica, provoc� que los EUA aceleraran las investigaciones de la fisi�n nuclear para impedir que los alemanes tomaran la delantera. Y efectivamente, no pudieron tomarla porque los f�sicos m�s importantes se encontraban exiliados en EUA. Sin embargo, el mal uso de la energ�a nuclear fue lo que aceler� las investigaciones y produjo los desastrosos resultados conocidos por todos: la bomba at�mica arrojada en 1945 sobre las ciudades japonesas de Hiroshima y Nagasaki.

En 1940 E. M. McMillan, J.W. Kennedy y A.C. Wahl descubren el plutonio, elemento producido en los reactores nucleares y que se utiliza para hacer la bomba at�mica, utilizando el ciclotr�n de 1.5 metros de Berkeley. Un equipo impresionante de f�sicos trabajaba entonces para lograr producir una reacci�n en cadena controlada y, "de pasadita", el combustible necesario para la fabricaci�n de la bomba.

S�lo cuatro a�os despu�s del descubrimiento de la fisi�n, el 2 de diciembre de 1942, Fermi y sus colaboradores, despu�s de algunos fracasos, logran construir en Stagg Field, Chicago, bajo la direcci�n de Arthur H. Compton, la primera pila de uranio, primer reactor nuclear, en el lugar donde se proyectaba instalar una cancha de squash para la Universidad de Chicago. Para entonces, en varios sitios de EUA se investigaba c�mo lograr la fisi�n controlada, por ejemplo en las universidades de Berkeley y Columbia.

El momento en que la pila de uranio de Chicago alcanz� el nivel cr�tico, seg�n narra Fermi, fue como sigue:

En la ma�ana del 2 de diciembre de 1942, las indicaciones demostraron que se hab�an excedido ligeramente las condiciones cr�ticas, y que la reacci�n en cadena no se efectuaba dentro del sistema �nicamente por la absorci�n de las tiras de cadmio. Durante la ma�ana, con cuidado se retiraron todas las tiras de cadmio menos una; esta �ltima se extrajo poco a poco, y se vigil� de cerca la intensidad. A partir de las mediciones, se esperaba que el sistema se volviera cr�tico al remover un tramo de cerca de ocho pies de esta �ltima tira. En efecto, cuando se removieron cerca de siete pies de altura, la intensidad se elev� a un valor muy alto, pero aun as�, se estabiliz� despu�s de algunos minutos en un nivel finito. Con algo de ansiedad, se dio la orden de remover un pie y medio de la tira. Esta operaci�n nos llevar�a a la victoria. Cuando se retir� el pie y medio, muy lentamente comenz� a elevarse la intensidad, pero en una proporci�n cada vez mayor, que sigui� creciendo hasta que se hizo evidente que finalmente se desviar�a. Luego se insertaron las tiras de cadmio dentro de la estructura y la intensidad decay� con rapidez a un nivel insignificante.

En los primeros experimentos se utiliz� uranio natural (238), pero dado que se pod�an partir los n�cleos con neutrones lentos, se formaron dos equipos de investigaci�n: el de Dunning y Booth bajo la asesor�a de Urey (descubridor del agua pesada), que trabajaba con uranio enriquecido, y el de Fermi, Szilard, Zinn y Anderson, que empleaba uranio natural.

Poco despu�s, el Proyecto Manhattan, dirigido por el general Leslie Groves y con J. Robert Oppenheimer, como uno de los jefes, dio su fruto letal: las tres primeras bombas at�micas construidas en Los Alamos, Nuevo M�xico.

Sin embargo, toda moneda tiene dos caras. El reverso de la desgracia que represent� la utilizaci�n de la energ�a de la fisi�n en las bombas at�micas lanzadas sobre Hiroshima y Nagasaki fue la construcci�n del reactor nuclear. Despu�s del reactor de Chicago se construyeron r�pidamente centrales nucleares en Canad�, Francia, la ex URSS, Alemania e Inglaterra.

Hasta ahora se ha dado un panorama general de los hechos m�s relevantes que llevaron a la construcci�n del primer reactor, y s�lo han pasado cincuenta a�os desde entonces. No obstante, estos sucesos se aquilatan mejor si se tiene una idea general del funcionamiento de un reactor nuclear.

Un reactor es un sistema en el cual se libera calor como producto de la fisi�n nuclear controlada, el cual se aprovecha para generar electricidad, producir radiois�topos y hacer investigaciones cient�ficas.

Para su funcionamiento, el reactor requiere de un combustible: uranio y torio son los elementos m�s adecuados. M�s adelante se ver� por qu�.

El �tomo se compone de un n�cleo y de electrones con cierta probabilidad de encontrarlos en un lugar determinado alrededor del n�cleo. �ste est� formado por dos tipos de part�culas: los protones y los neutrones. Los protones tienen una masa de 1.673 X 10^-27 kg, ligeramente menor que la de los neutrones (1.675 X 10-²⁷ kg). Los protones est�n cargados positivamente, mientras que los neutrones no tienen carga.

La estructura de los n�cleos at�micos depende del n�mero de protones y neutrones de cada n�cleo. El n�mero de protones o n�mero at�mico se designa por la letra Z, y el n�mero de nucleones (protones m�s neutrones) se llama n�mero de masa o m�sico y se representa por la letra A. De manera que el n�mero A-Z da el n�mero de neutrones de un �tomo. Por ejemplo, ²³⁸U₉₂ quiere decir uranio con Z=92 protones y A=238 nucleones, por lo tanto, A-Z=146 neutrones. En cambio, el ²³⁵U₉₂ tiene Z=92 protones y A-Z=143 neutrones. El primero, ²³⁸U₉₂, es el llamado uranio natural y es el que m�s abunda en la naturaleza. El ²³⁵U₉₂ tiene que enriquecerse, ya que se encuentra en una proporci�n de 0.7% mezclado con el uranio natural. Entre los procesos de enriquecimiento pueden mencionarse la difusi�n y la centrifugaci�n; ambos requieren de una tecnolog�a compleja.

En el m�todo de difusi�n gaseosa se aprovecha el hecho de que como el ²³⁵U₉₂ es m�s ligero que el ²³⁸U₉₂, la velocidad de difusi�n del ²³⁵U₉₂ a trav�s de una delgada capa (metal poroso) es m�s r�pida. Para lograrlo, los �xidos s�lidos de uranio se transforman en hexafluoruro de uranio (UF₆), compuesto que se puede convertir en vapor f�cilmente. Como la concentraci�n de uranio enriquecido (²³⁵U₉₂) aumenta lentamente, es necesario repetir el proceso de difusi�n muchas veces con ayuda de bombas y condensadores.

El proceso de enriquecimiento por centrifugaci�n se basa en que el gas de hexafluoruro de uranio (UF₆) —que contiene tanto uranio natural (²³⁸U₉₂) como enriquecido (²³⁵U₉₂)—, al someterse a la centrifugaci�n (como cuando nos metemos al torbellino en una feria), desplaza a los bordes el uranio natural m�s pesado y deja m�s cerca del centro al uranio enriquecido, que es m�s ligero. El uranio ligeramente enriquecido se recoge mediante unas tuber�as y se vuelve a centrifugar. Este procedimiento se repite varias veces hasta conseguir la concentraci�n adecuada. La ventaja del m�todo de centrifugaci�n es que consume la d�cima parte de energ�a que el de difusi�n.

El n�mero at�mico o de protones determina qu�micamente a un elemento, aunque cambie en n�mero de neutrones; de manera que a un elemento con diferente n�mero de neutrones pero igual n�mero de protones se le llama is�topo. En el ejemplo anterior el uranio 235 y el 238 son dos is�topos del mismo elemento: uranio. Los is�topos son qu�micamente id�nticos, pero su estructura nuclear es muy diferente. Tanto as�, que los dos grandes grupos de reactores se dividen en los que utilizan uranio natural como combustible en forma de �xido de uranio (UO₂) y los que usan uranio enriquecido, como hexafluoruro de uranio (UF₆). La diferencia entre ambos s�lo son tres neutrones.

Si pudi�ramos colocar en una balanza de equilibrio las part�culas que constituyen el n�cleo, separadas en uno de los platos, y en el otro todo el n�cleo, observar�amos un fen�meno interesante: el plato donde se encuentran las part�culas que componen el n�cleo separadas, pesar� m�s. Esta diferencia de masa entre ambos estados se debe a la energ�a que mantiene unidos a los protones y los neutrones y se denomina energ�a de amarre. Dicha energ�a es la que se aprovecha al romper los n�cleos at�micos y se calcula a partir de la f�rmula de Einstein, E = mc², que establece la equivalencia entre masa y energ�a.

Cuando se hace incidir un haz de neutrones en un n�cleo de uranio pueden ocurrir tres cosas: 1) una reacci�n de dispersi�n en la que, debido a colisiones el�sticas o inel�sticas, se da �nicamente un intercambio de energ�a entre el n�cleo y los neutrones; 2) una captura radiactiva, en la cual un neutr�n es capturado (lento, en la mayor�a de los casos), se emiten part�culas gamma ( g) o fotones de alta energ�a y posteriormente el �tomo radiactivo decae formando otro elemento, que a su vez emite part�culas beta (b) o electrones; 3) una fisi�n nuclear, en la cual los n�cleos de n�mero m�sico elevado, y s�lo �stos, absorben un neutr�n. El elemento pesado, al absorber el neutr�n provoca que las fuerzas nucleares de atracci�n entre prot�n-prot�n, neutr�n-neutr�n y prot�n-neutr�n, sean comparables a las fuerzas de repulsi�n electrost�ticas (o coulombianas) entre los protones cargados positivamente.

Es decir, la fisi�n consiste en el rompimiento de un n�cleo at�mico pesado para formar dos ligeros, proceso durante el cual se libera gran cantidad de energ�a (v�ase la figura 30).

Figura 30. Reacci�n en cadena de un n�cleo de uranio enriquecido con moderador de neutrones.

El n�cleo, como resultado de la colisi�n con el neutr�n se rompe en dos n�cleos de manera parecida a como ocurre cuando una gota de agua se divide en dos. En caso de que los neutrones incidentes sean lentos, los fragmentos de n�cleo guardar�n una relaci�n de 2 a 3 respecto a su masa. �ste es el caso del bario y el kript�n, y en general de cualquier pareja de elementos altamente radiactivos. Los n�cleos resultantes de la fisi�n se llaman productos de fisi�n (v�ase la figura 30).

En las reacciones de fisi�n se rompen generalmente n�cleos de tono, uranio o plutonio. El resultado son dos n�cleos ligeros y la liberaci�n de una enorme cantidad de energ�a en forma de calor y, en algunos casos, otros neutrones.

La energ�a liberada al bombardear un n�cleo de uranio-235 es de aproximadamente 200 MeV (megaelectr�n- volts). Para tener una idea de lo que representa esta cifra, equivale a una energ�a tres millones de veces mayor que la liberada en la combusti�n de carb�n. La mayor parte de la energ�a liberada (salvo la de los neutrinos) se convierte en calor (v�ase el cuadro IX).

CUADRO IX. Distribuci�n aproximada de la energ�a liberada en la fisi�n de un n�cleo radiactivo.

	MeV (megaelectrón-volts)
Energía cinética de los fragmentos de fisión	168
Energía instantánea de los rayos gamma (g)	7
Energía cinética de los neutrones de fisión	5
Partículas beta (b) de los productos de fisión	7
Rayos gamma (g) de los productos de fisión	6
Neutrinos (partículas sin carga y sin masa)	10
Total	203

Por otro lado, hay n�clidos (n�cleos caracter�sticos) fisionables �nicamente con neutrones de mucha energ�a, llamados neutrones r�pidos; �stos son el torio-232 y el uranio-238. En cambio, hay otros que se pueden romper con neutrones de cualquier energ�a y en particular con neutrones de baja energ�a, llamados neutrones lentos. �stos son: uranio-233, uranio-235 y plutonio-239. A este �ltimo tipo de n�cleos se les llama fisibles para distinguirlos de los primeros, llamados fisionables.

Los neutrones lentos tienen mayor probabilidad de provocar una reacci�n de fisi�n —seg�n lo demostr� Fermi—, ya que pasan cerca del n�cleo radiactivo durante m�s tiempo (la secci�n eficaz de dispersi�n es mayor para los neutrones lentos).

La energ�a calor�fica liberada en la fisi�n de un kilogramo de uranio-235 es de 81 X 10¹² joules y la de un kilogramo de plutonio-239 es de 79.5 X 10¹² joules.

Una reacci�n de fisi�n puede controlarse cuando se logra que en promedio se produzcan dos o tres neutrones capaces de chocar con otros n�cleos de uranio. �ste es el proceso que ocurre en el interior de un reactor. La forma f�sica de evaluarlo consiste en medir una cantidad llamada factor de reproducci�n, que es igual al cociente del n�mero de neutrones producidos en un intervalo corto de tiempo, entre los neutrones absorbidos por cualquier proceso m�s los neutrones perdidos tambi�n en ese intervalo. Si este valor, designado por la letra k, es igual a 1, el reactor se denomina cr�tico; si es menor o mayor que 1 se llama subcr�tico o supercr�tico, respectivamente.

La cantidad m�nima de combustible necesaria para producir una reacci�n en cadena controlada, en el caso de un reactor, o sin control, cuando se trata de una bomba at�mica, se denomina masa cr�tica y de �sta dependen las dimensiones del reactor (debe haber cierta densidad de neutrones producidos). Para el uranio-235, en ciertas condiciones, la masa cr�tica es de aproximadamente 1 kg. Sin embargo, el uranio, tal y como se encuentra en la naturaleza, nunca puede alcanzar las condiciones cr�ticas (afortunadamente).

Un reactor, para producir energ�a el�ctrica funciona como sigue: la parte m�s importante del reactor es el n�cleo. En �l se encuentran las barras de combustible, el moderador, el refrigerante, las barras de control, el reflector y la fuente de neutrones. Todos ellos est�n protegidos, para evitar que salgan las radiaciones, con una gruesa capa de acero llamada vasija del reactor y posteriormente una gruesa protecci�n de concreto armado. Los componentes var�an seg�n el tipo de reactor. La fuente de neutrones puede ser de polonio-berilio o rad�n-berilio, emisores de part�culas alfa (a), n�cleos de helio. �sta se acerca a las barras de combustible para iniciar la reacci�n nuclear.

Las barras de combustible est�n rodeadas de un material o sustancia llamado moderador. El moderador se encarga de frenar los neutrones para aumentar la posibilidad de producir fisiones nucleares. Como moderadores se utilizan el agua pesada (bi�xido de deuterio), en los reactores canadienses CANDU, que operan con uranio natural, y agua natural en los reactores BWR y PWR (de agua hirviente y agua a presi�n, respectivamente), que trabajan con uranio enriquecido (v�ase la figura 31). Tambi�n se utiliza berilio, �xido de berilio y carb�n en forma de grafito. El reflector se encarga de reducir las p�rdidas de neutrones en las paredes del n�cleo del reactor. Las barras de control al sumergirse absorben gran cantidad de neutrones; �stas son generalmente de boro o cadmio, y su funci�n es controlar la potencia del reactor al grado de poder pararlo inmediatamente.

Figura 31. Diagrama de un reactor de agua a presi�n (PWR). (FUENTE: CFE.)

El refrigerante es el fluido que absorbe el calor producido por la fisi�n y lo transporta fuera del n�cleo del reactor. En algunos casos el moderador y el refrigerante son de la misma sustancia, por ejemplo, de agua; pero el refrigerante puede ser de sodio l�quido, una mezcla de sodio y potasio, bi�xido de carbono o helio.

El calor producido por la fisi�n se lleva fuera del n�cleo (v�ase la figura 31) y mediante un intercambiador de calor (exceptuando el caso en que el refrigerante sea agua) se aprovecha dicho calor para producir vapor de agua, que va directamente a una turbina conectada a un generador, para as� producir energ�a el�ctrica.

Existen varios tipos de reactor: PWR (reactor de agua a presi�n y uranio enriquecido), BWR (reactor de agua hirviente y uranio enriquecido), CANDU (reactor de agua pesada como moderador que utiliza uranio natural y barras de combustible presurizadas), HTCR (reactor que usa como refrigerante helio gasificado a alta temperatura y grafito como moderador) y FBR (reactor r�pido de cr�a, en el que a partir de neutrones r�pidos se producen grandes cantidades de plutonio, m�s que el producido originalmente, de manera que no hay que recambiar las barras de combustible).

Cada tipo de reactor tiene ventajas y desventajas; sin embargo, una condici�n que todos deben satisfacer es la seguridad, es decir, una alta probabilidad de que no ocurran accidentes, ya que los productos de fisi�n son altamente radiactivos, lo que puede constituir una amenaza para cualquier forma de vida y afectar el medio. Por ello, la seguridad en los reactores es fundamental. Otro gran problema es el almacenamiento o el destino que se d� a los desechos radiactivos. Pese al rechazo social que ha ocasionado la energ�a nuclear por los accidentes ocurridos y por el destino de los desechos radiactivos, la tecnolog�a nuclear es un recurso que se debe conocer y considerar dentro de las posibilidades energ�ticas, porque es un recurso real que proporciona a la poblaci�n grandes cantidades de energ�a el�ctrica. En el cuadro X se proporciona la radiaci�n que recibe un ser humano en un a�o. Como puede observarse, la cantidad de radiaci�n natural es superior a la artificial

CUADRO X. Radiaci�n que recibe una persona anualmente.

Radiación	Milirems (mrem)
Radiación natural
Materiales terrestres	60
Rayos cósmicos (Sol y estrellas)	50
Materiales de construcción	5-15
Materiales terrestres	10
SUBTOTAL	125-135
Radiación del cuerpo humano por elementos radioactivos presentes en él	25
Radiación artíficial
Radiografías y fluoroscopías	40
Aparatos de televisión	5
Viajes en avión (más de 7 h)	5
Centrales nucleares	3
Relojes con carátula luminosa	2
SUBTOTAL	55
TOTAL	205-215
FUENTE: CFE, 1987

En el caso de M�xico, se est� construyendo la segunda unidad de la Central Nucleoel�ctrica de Laguna Verde, Veracruz (es del tipo BWR). La primera ya genera 654 MW de potencia y es el primer reactor nuclear para producir electricidad que posee el pa�s. La segunda unidad entrar� en operaci�n en pocos a�os y generar� una cantidad similar de energ�a el�ctrica.

Tambi�n existen algunos reactores nucleares para experimentaci�n, como el que tiene el Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares, en Salazar y el del Instituto de Investigaciones Nucleares, en la UNAM, pero todos �stos son reactores subcr�ticos.

VIII. 2. FUSI�N NUCLEAR

En todas las estrellas y en el Sol, en particular, se llevan a cabo reacciones de fusi�n nuclear. A temperaturas de millones de grados los �tomos se disocian y quedan cargados el�ctricamente o ionizados en un estado de la materia que se denomina plasma. En estas condiciones se rompen las barreras que mantienen unidos a los electrones con el n�cleo, los cuales se denominan coulombianas y se pueden unir los n�cleos de los �tomos, liberando grandes cantidades de energ�a.

En la fusi�n, las reacciones nucleares que ocurren en las estrellas se han reproducido en condiciones simplificadas y artificiales en los laboratorios terrestres. En una reacci�n de fusi�n dos n�cleos de elementos ligeros como el hidr�geno se unen para formar uno pesado, con una energ�a de amarre mayor que cualquiera de los n�cleos ligeros. Dado que la energ�a de amarre es mayor, hay un d�ficit de masa o una masa faltante, que se manifiesta de acuerdo con la f�rmula de Einstein como una gran liberaci�n de energ�a.

Los elementos e is�topos que se utilizan para producir una reacci�n de fusi�n son el deuterio, el tritio (is�topos del hidr�geno) y el helio (v�ase la figura 32). En los reactores de fusi�n, la reacci�n m�s conveniente en t�rminos energ�ticos es la de deuterio y tritio. El primero se encuentra en el agua y el segundo se puede producir artificialmente a partir del litio. En t�rminos de abundancia y costo, la reacci�n m�s conveniente es la de deuterio con deuterio.

Para vencer la repulsión electrostática de los núcleos de deuterio y tritio y poder fusionarlos se necesita alcanzar una temperatura superior a 50 millones de grados, temperatura de un plasma. Otras reacciones de fusión:

D + D He + n + 0.82 MeV

D + D T + H + 1.01 MeV

D + He He + H + 3.6 MeV

Figura 32. Reacci�n de fusi�n nuclear deuterio-tritio.

Para producir artificialmente una reacci�n de fusi�n se necesita vencer la fuerza de repulsi�n de los n�cleos que se quieren fusionar. Esto s�lo se ha logrado de dos maneras diferentes:

1) Elevando la temperatura del combustible de fusi�n a varias decenas de millones de grados, estado de la materia que se conoce con el nombre de plasma; en t�rminos generales consiste en un gas cargado el�ctricamente, en el cual las elevadas temperaturas hacen que se separen los electrones del gas. Sin embargo, a estas temperaturas no existe un material que pueda guardar al gas cargado o plasma. Para lograrlo se requieren grandes imanes el�ctricos (electroimanes) y que el gas tenga la forma de un toro o dona. S�lo manteniendo estas condiciones, aproximadamente en pulsos de un segundo de duraci�n, se puede producir una reacci�n de fusi�n, en la que haya ganancia de energ�a y �sta se pueda aprovechar. (En teor�a se establece el criterio de Lawson, que se�ala que para un tipo de reacci�n el producto de la densidad del plasma por el tiempo de confinamiento debe ser igual a un valor m�nimo). Este tipo de confinamiento se denomina magn�tico y el dispositivo m�s utilizado para lograrlo fue propuesto por los f�sicos sovi�ticos Igor E. Tamm y Andr�i D. Sajarov, en 1950. Se denomina TOKAMAK, que es un acr�stico de toroid (toroide), kamera (c�mara), magnet (im�n) y katushka (bobina).

En un TOKAMAK se utiliza un gran electroim�n o transformador de corriente, en el cual se aplica un voltaje en el llamado primario y por inducci�n se produce una corriente en el secundario. En el caso del TOKAMAK, el secundario es el plasma donde se va a llevar a cabo la fusi�n nuclear. Como no existe ning�n material que pueda soportar las temperaturas de un plasma, se ha propuesto la forma de dona o toro. Como debe ser el plasma el que haga las veces de secundario y no el recipiente met�lico que lo contiene, se colocan cuatro anillos diel�ctricos que cortan la dona en cuatro (llamados cortes poloidales) para que la corriente se interrumpa en el recipiente met�lico que contiene el plasma. Un segundo problema es evitar que el plasma de fusi�n toque las paredes del recipiente, lo cual se ha resuelto colocando una bobina enrollada en la dona para que forme un campo magn�tico muy intenso y el plasma quede confinado magn�ticamente en una segunda dona m�s peque�a que no toca las paredes del contenedor (v�ase la figura 33).

Figura 33. Diagrama esquem�tico de un TOKAMAK. Reactor de fusi�n por confinamiento magn�tico.

En M�xico se ha construido en el Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares un TOKAMAK experimental llamado Novillo.

Hasta ahora, en la mayor�a de los TOKAMAK los tiempos de confinamiento han sido de mil�simas de segundo, raz�n por la cual se ha invertido m�s energ�a en calentar el plasma que la que se obtiene de la fusi�n nuclear.

2) Otra forma de lograr una reacci�n de fusi�n es el m�todo de confinamiento inercial. En la fusi�n por el m�todo de confinamiento inercial se ha utilizado un l�ser muy potente (de 30 000 000 000 de watts) que se parte en varios rayos y el pulso tiene una duraci�n de una mil millon�sima de segundo. Los "brazos" del l�ser se hacen incidir en una min�scula pelotita que contiene deuterio y tritio. El l�ser provoca un gran aumento repentino de la presi�n y temperatura en la c�psula con deuterio y tritio, y la fuerza de inercia comprime a los n�cleos hasta lograr la fusi�n.

Hasta ahora no se ha logrado construir un reactor de fusi�n comercial, esto es, que sea capaz de producir energ�a el�ctrica. Sin embargo, en Inglaterra se han obtenido progresos considerables. En Rusia se tienen grandes TOKAMAK, al igual que en Jap�n. En relaci�n con los sistemas de confinamiento inercial, en el Lawrence Livermore Laboratory, en California, funcionan los dos grandes l�seres de fusi�n llamados Shiva y Nova.

Entre las reacciones de fusi�n m�s convenientes, la de deuterio-tritio tiene la ventaja de que el deuterio se encuentra en forma abundante en la naturaleza y el tritio se puede producir a partir del litio como ya se hab�a mencionado anteriormente.

Una de las grandes ventajas de la fusi�n controlada es la escasa radiaci�n producida, as� como la corta vida de los elementos radiactivos como el tritio (is�topo del hidr�geno), que en realidad es el �nico producto radiactivo de las reacciones de fusi�n, los neutrones que decaen en �tomos de hidr�geno y los productos radiactivos que se producen cuando los neutrones chocan con las paredes del contenedor, que dependen de la estructura del mismo. Todo lo anterior, sin considerar que se produce (en el caso de la reacci�n deuterio-tritio) cuatro veces m�s energ�a que en la fisi�n nuclear. Basta esperar que se den las condiciones de ignici�n del reactor, es decir, que se produzca m�s energ�a de la que se invierte para lograr la fusi�n.