Energia nuclear
De WikiLingua.net
Es diu energia nuclear a aquella que s'obté a l'aprofitar les reaccions nuclears espontànies o provocades per l'home. Aquestes reaccions es donen en alguns isótopos de certs elements químics, sent el més conegut d'aquest tipus d'energia la fisión de l'urani-235 (235O), amb la qual funcionen els reactores nuclears. No obstant això, per a produir aquest tipus d'energia aprofitant reaccions nuclears poden ser utilitzats molts altres isótopos de diversos elements químics, com el torio, el plutonio, l'estroncio o el polonio.
Els dos sistemes amb els quals pot obtenir-se energia nuclear de forma massiva són la fisión nuclear i la fusió nuclear. L'energia nuclear pot transformar-se de forma descontrolada, donant lloc a l'armament nuclear; o controlada en reactores nuclears en els quals es produeix energia elèctrica, energia mecànica o energia tèrmica. Tant els materials usats com el disseny de les instal·lacions són completament diferents en cada cas.
Una altra tècnica, empleada principalment en piles d'enorme durada per a sistemes que requereixen poc consum elèctric, és la utilització de generadores termoeléctricos de radioisótopos (GTR, o RTG en anglès), en els quals s'aprofiten les distintes maneres de desintegración per a generar electricitat en sistemes de termopares a partir de la calor transferido per una font radiactiva.
L'energia despresa en aquests processos nuclears sol aparèixer en forma de partícules subatómicas en moviment. Aquestes partícules, al frenar-se en la matèria que les envolta, produeixen energia tèrmica. Aquesta energia tèrmica es transforma en energia mecànica utilitzant motors de combustió externa, com les turbinas de vapor. Dita energia mecànica pot ser emprada en el transport, com per exemple en els bucs nuclears; o per a la generació d'energia elèctrica en centrals nuclears.
La principal característica d'aquest tipus d'energia és l'alta quantitat d'energia que pot produir-se per unitat de massa de material utilitzat en comparació de qualsevol altre tipus d'energia coneguda per l'home.
Taula de continguts |
[editar] Història
[editar] Les reaccions nuclears
En 1896 Becquerel va descobrir que alguns elements químics emetien radiacions.[1] Tant ell com Marie Curie i uns altres, van estudiar les seves propietats, descobrint que aquestes radiacions eren diferents dels ja coneguts Rajos X, sinó que posseïen propietats distintes, denominant als tres tipus que van aconseguir descobrir alfa, beta i gamma.
Aviat es va veure que totes elles provenien del nucli atòmic que va descriure Rutherford en 1911.
Amb l'ús del neutrino, partícula descrita teòricament en 1930 per Pauli però no mesurada fins a 1956 per Clyde Cowan i els seus col·laboradors, es va poder explicar la radiació beta.
En 1932 James Chadwick va descobrir l'existència del neutrón que Wolfgang Pauli hi havia predicho en 1930, i immediatament després Enrico Fermi va descobrir que certes radiacions emeses en fenòmens no gaire comuns de desintegración eren en realitat aquests neutrones.
En 1934 Fermi es trobava en un experiment bombardejant nuclis d'urani amb aquests neutrones recién descoberts, mesurant noves formes de "radiacions". En 1938, a Alemanya, Lise Meitner, Otto Hahn i Fritz Strassmann van verificar els experiments de Fermi. És més, en 1939 van demostrar que parteix dels productes que apareixien al dur a terme aquests experiments eren nuclis de bario. Molt aviat van arribar a la conclusió que eren resultat de la divisió dels nuclis de l'urani. S'havia dut a terme el descobriment de la fisión.
A França, Joliot Curie va descobrir que a més del bario, s'emetien neutrones secundaris en aquesta reacció, fent factible la reacció en cadena.
També en 1932 Mark Oliphant teorizó sobre la fusió de nuclis lleugers (d'hidrógeno ), descrivint poc després Hans Bethe el funcionament de les estrelles basant-se en aquest mecanisme.
[editar] La fisión nuclear
En plena Segona Guerra Mundial, els militars alemanys van descobrir el potencial que aquests fenòmens podrien suposar i van començar a desenvolupar una bomba basada en la fisión: La bomba nuclear. Albert Einstein, en 1939, va signar una carta al president Franklin Delano Roosevelt dels Estats Units, escrita per Leó Szilárd, en la qual es prevenia sobre aquest fet.[2]
El 2 de desembre de 1942, com part del projecte Manhattan dirigit per J. Robert Oppenheimer, es va construir el primer reactor del món fet per l'home (va existir un reactor natural en Oklo): el Xicago Pile-1 (CP-1).
Com part del mateix programa militar, es va construir un reactor molt major en Hanford, destinat a la producció de plutonio, i al mateix temps, un projecte d'enriquiment d'urani en esquerdada. El 16 de juliol de 1945 va ser provada la primera bomba nuclear (nom en clau Trinity) en el desert d'Alamogordo. En aquesta prova es va dur a terme una explosió equivalent a 19.000.000 de kg de TNT (19 kilotones), una potència mai observada anteriorment en cap altre explosiu. Ambdós projectes desenvolupats van finalitzar amb la construcció de dues bombes, una d'urani enriquit i una de plutonio (Little Boy i Fat Man) que van ser llançades sobre les ciutats japoneses d'Hiroshima (6 d'agost de 1945) i Nagasaki (9 d'agost de 1945) respectivament. El 15 d'agost de 1945 va acabar la segona guerra mundial en el Pacífic amb la rendición de Japó. Per la seva banda el programa d'armament nuclear alemany (liderat aquest per Werner Heisenberg), no va aconseguir la seva meta abans de la rendición d'Alemanya el 8 de maig de 1945.
Posteriorment es van dur a terme programes nuclears en la Unió Soviètica (primera prova d'una bomba de fisión el 29 d'agost de 1949), França i Gran Bretanya, començant la carrera armamentística en ambdós blocs creats després de la guerra, aconseguint límits de potència destructiva mai abans sospitada per l'home (cada bàndol podia derrotar i destruir diverses vegades a tots els seus enemics).
Ja en la dècada de 1940, l'almirante Hyman Rickover va proposar la construcció de reactores de fisión no encaminats aquesta vegada a la fabricació de material per a bombes, sinó a la generació d'electricitat. Aquests reactores es va pensar (acertádamente) que podrien constituir un gran substitut del diesel en els submarins. Es va construir el primer reactor de prova en 1953, botant el primer submarí nuclear (l'USS Nautilus (SSN-571)) en 1955. El Departament de Defensa Nord-americà va proposar el disseny i construcció d'un reactor nuclear utilizable per a la generació elèctrica i propulsión en els submarins a dues empreses distintes nord-americanes: General Electric i Westinghouse. Aquestes empreses van desenvolupar els reactores d'aigua lleugera tipus BWR i PWR respectivament.
Aquests reactores s'han utilitzat per a la propulsión de bucs, tant d'ús militar (submarins, creuers, portaaviones,...) com civil (rompehielos i cargueros), on presenten potència, reducció de la grandària dels motors, reducció en l'emmagatzematge de combustible i autonomia no millorats per cap altra tècnica existent.
Els mateixos dissenys de reactores de fisión es van traslladar a dissenys comercials per a la generació d'electricitat. Els únics canvis produïts en el disseny amb el transcurs del temps van ser un augment de les mesures de seguretat, una major eficiència termodinámica, un augment de potència i l'ús de les noves tecnologies que van ser apareixent.
Entre 1950 i 1960 Canadà va desenvolupar un nou tipus, basat en el PWR, que utilitzava aigua pesada com moderador i urani natural com combustible, en lloc de l'urani enriquit utilitzat pels dissenys d'aigua lleugera. Altres dissenys de reactores per al seu ús comercial van utilitzar carboni (Magnox, AGR, RBMK o PBR entre uns altres) o surts foses (litio o berilio entre uns altres) com moderador. Aquest últim tipus de reactor va ser part del disseny del primer avió bombardero (1954) amb propulsión nuclear (l'US Aircraft Reactor Experiment o LLAURI). Aquest disseny es va abandonar després del desenvolupament dels míssils balísticos intercontinentales (ICBM).
Altres països (França, Itàlia, Argentina entre uns altres) van desenvolupar els seus propis dissenys de reactores nuclears per a la generació elèctrica comercial.
En 1946 es va construir el primer reactor de neutrones ràpids (Clementine) en Els Álamos, amb plutonio com combustible i mercurio com refrigerante. En 1951 es va construir l'EBR-I , el primer reactor ràpid amb el qual es va aconseguir generar electricitat. En 1996, el Superfénix o SPX, va anar el reactor ràpid de major potència construït fins al moment (1200 MWe). En aquest tipus de reactores es poden utilitzar com combustible els radioisótopos del plutonio, el torio i l'urani que no són fisibles amb neutrones tèrmics (lents).
En la dècada dels 50 Ernest Lawrence va proposar la possibilitat d'utilitzar reactores nuclears amb geometrías inferiors a la criticidad (reactores subcríticos el combustible de la qual podria ser el torio), en els quals la reacció seria suportada per un aporti extern de neutrones. En 1993 Carlo Rubbia proposa utilitzar una instal·lació d'espalación en la qual un accelerador de protones produís els neutrones necessaris per a mantenir la instal·lació. A aquest tipus de sistemes se'ls coneix com Sistemes assistits per acceleradors (en anglès Accelerator driven systems, ADS les seves sigles en anglès), i es preveu que la primera planta d'aquest tipus (MYRRHA) comenci el seu funcionament entre el 2016 i el 2018 en el centre de Mol (Bèlgica).[3]
[editar] La fusió nuclear
Ja en la dècada dels 40, com part del projecte Manhattan, es va estudiar la possibilitat de l'ús de la fusió en la bomba nuclear. En 1942 es va investigar la possibilitat de l'ús d'una reacció de fisión com mètode d'ignición per a la principal reacció de fusió, sabent que podria resultar en una potència milers de vegades superior. No obstant això, després de la fi de la segona guerra mundial, el desenvolupament d'una bomba d'aquestes característiques no va ser considerat primordial. Fins a l'explosió de la primera bomba nuclear russa en 1949. Aquest esdeveniment va provocar que en 1950 el president nord-americà Harry S. Truman anunciés el començament d'un projecte que desenvolupés la bomba d'hidrógeno. L'1 de novembre de 1952 es va provar la primera bomba nuclear (nom en clau Mike, part de l'Operació hiedra), amb una potència equivalent a 10.400.000.000 de kg de TNT (10,4 megatones). El 12 d'agost de 1953 la Unió Soviètica realitza la seva primera prova amb un artefacte termonuclear (la seva potència va aconseguir alguns centenars de kilotones).
Les condicions que eren necessàries per a aconseguir la ignición d'un reactor de fusió controlat, no obstant això, no van ser derivades fins a 1955 per John D. Lawson.[4] Els criteris de Lawson van definir les condicions mínimes necessàries de temps, densitat i temperatura que havia d'aconseguir el combustible nuclear (nuclis d'hidrógeno) perquè la reacció de fusió es mantingués. No obstant això, ja en 1946 es va patentar el primer disseny de reactor termonuclear.[5] En 1951 va començar el programa de fusió d'Estats Units, sobre la base del stellarator. En el mateix any va començar en la Unió Soviètica el desenvolupament del primer Tokamak, donant lloc als seus primers experiments en 1956. Aquest últim disseny va assolir en 1968 la primera reacció termonuclear cuasiestacionaria mai aconseguida, demostrant-se que era el disseny més eficient aconseguit fins a l'època. ITER, el disseny internacional que té data de començament de les seves operacions en l'any 2016 i que intentarà resoldre els problemes existents per a aconseguir un reactor de fusió de confinamiento magnètic, utilitza aquest disseny.
En 1962 es va proposar una altra tècnica per a aconseguir la fusió basada en l'ús de làsers per a aconseguir una implosión en petites cápsulas plenes de combustible nuclear (de nou nuclis d'hidrógeno). No obstant això fins a la dècada dels 70 no es van desenvolupar làsers suficientment potents. Els seus inconvenients pràctics van fer d'aquesta una opció secundària per a aconseguir l'objectiu d'un reactor de fusió. No obstant això, a causa dels tractats internacionals que prohibien la realització d'assajos nuclears en l'atmosfera, aquesta opció (bàsicament microexplosiones termonucleares) es va convertir en un excel·lent laboratori d'assajos per als militars, amb el que va aconseguir finançament per a la seva continuació. Així s'han construït el National Ignition Facility (NIF, amb inici de les seves proves programades per a 2010) nord-americana i el Laser Megajoule (LMJ, que serà completat en el 2010) francès, que persegueixen el mateix objectiu d'aconseguir un dispositiu que aconsegueixi mantenir la reacció de fusió a partir d'aquest disseny. Cap dels projectes d'investigació actualment en marxa predicen un guany d'energia significativa, pel que està previst un projecte posterior que pogués donar lloc als primers reactores de fusió comercials (DEMO per al confinamiento magnètic i HiPER per al confinamiento inercial).
[editar] Altres sistemes d'energia nuclear
Amb la invenció de la pila química per Volta en 1800 es va donar lloc a una forma compacta i portàtil de generació d'energia. A partir de llavors va ser incessant la recerca de sistemes que anessin àdhuc menors i que tinguessin una major capacitat i durada. Aquest tipus de piles, amb poques variacions, han estat suficients per a moltes aplicacions diàries fins als nostres temps. No obstant això, en el segle XX van sorgir noves necessitats, a causa principalment dels programes espacials. Es precisaven llavors sistemes que tinguessin una durada elevada per a consums elèctrics moderats i un manteniment nul. Van sorgir diverses solucions (com els panells solars o les cèl·lules de combustible), però segons s'incrementaven les necessitats energètiques i apareixien nous problemes (les plaques solars són inútils en absència de llum solar), es va començar a estudiar la possibilitat d'utilitzar l'energia nuclear en aquests programes.
A mitjan la dècada dels 50 van començar a Estats Units les primeres investigacions encaminades a estudiar les aplicacions nuclears en l'espai. D'aquestes van sorgir els primers prototips dels generadores termoeléctricos de radioisótopos (RTG). Aquests dispositius van mostrar ser una alternativa summament interessant tant en les aplicacions espacials com en aplicacions terrestres específiques. En aquests artefactes s'aprofiten les desintegraciones alfa i beta, convertint tota o gran part de l'energia cinética de les partícules emeses pel nucli en calor. Aquesta calor és després transformat en electricitat aprofitant l'efecte Seebeck mitjançant uns termopares, aconseguint eficiències acceptables (entre un 5 i un 40% és l'habitual). Els radioisótopos habitualment utilitzats són 210Po, 244Cm, 238Pu, 241Am, entre altres 30 que es van considerar útils. Aquests dispositius aconsegueixen capacitats d'emmagatzematge d'energia 4 ordres de magnitud superiors (10.000 vegades major) a les bateries convencionals.
En 1959 es va mostrar al públic el primer generador atòmic.[6] En 1961 es va llançar a l'espai el primer RTG, a brodo del SNAP 3. Aquesta bateria nuclear, que alimentava a un satèl·lit de l'armada nord-americana amb una potència de 2,7 W, va mantenir el seu funcionament ininterrumpido durant 15 anys.
Aquests sistemes s'han utilitzat i se segueixen usant en programes espacials molt coneguts (Pioneer, Voyager, Galileu, Apol·lo i Ulises entre uns altres). Així per exemple en 1972 i 1973 es van llançar els Pioneer 10 i 11, convertint-se el primer d'ells en el primer objecte humà de la història que abandonava el sistema solar. Ambdós satèl·lits van continuar funcionant fins a 17 anys després dels seus llançaments.
La missió Ulises (missió conjunta AQUESTA-NASA) es va enviar en 1990 per a estudiar el Sol, sent la primera vegada que un satèl·lit creuava ambdós pols solars. Per a poder fer-ho va caldre enviar el satèl·lit en una òrbita al voltant de Júpiter. A causa de la durada del RTG que manté el seu funcionament es va perllongar la missió de manera que es pogués tornar a realitzar un altre viatge al voltant del Sol. Encara que semblés estrany que aquest satèl·lit no usés panells solars en lloc d'un RTG, pot entendre's al comparar els seus pesos (un panell de 544 kg generava la mateixa potència que un RTG de 56). En aquells anys no existia un coet que pogués enviar a la seva òrbita al satèl·lit amb aquest pes extra.
Aquestes bateries no sol proporcionen electricitat, sinó que en alguns casos, la pròpia calor generada s'utilitza per a evitar la congelació dels satèl·lits en viatges en els quals la calor del Sol no és suficient, per exemple en viatges fos del sistema solar o en missions als pols de la Lluna.
En 1966 es va instal·lar el primer RTG terrestre en l'illa deshabitada Fairway Rock, romanent en funcionament fins a 1995, moment en el qual es va desmantellar. Molts altres fars situats en zones inaccessibles properes als pols (sobretot en la Unió Soviètica), van utilitzar aquests sistemes. Se sap que la Unió Soviètica va fabricar més de 1000 unitats per a aquests usos.
Una aplicació que es va donar a aquests sistemes va ser el seu ús com marcapasos.[7] Fins als 70 s'usava per a aquestes aplicacions bateries de mercurio-zinc, que tenien una durada d'uns 3 anys. En aquesta dècada es van introduir les bateries nuclears per a augmentar la longevidad d'aquests artefactes, possibilitant que un pacient jove tingués implantat sol un d'aquests artefactes per a tota la seva vida. En els anys 1960, l'empresa Medtronic va contactar amb Alcatel per a dissenyar una bateria nuclear, implantant el primer marcapasos alimentat amb un RTG en un pacient en 1970 a París. Diversos fabricants van construir els seus propis dissenys, però a mitjan aquesta dècada van ser desplaçats per les noves bateries de litio, que posseïen vides d'uns 10 anys (considerat suficient pels metges encara que hagués de substituir-se diverses vegades fins a la mort del pacient). A mitjan els anys 1980 es va detenir l'ús d'aquests implants, encara que encara existeixen persones que segueixen portant aquest tipus de dispositius.
[editar] Fonaments físics
Sir James Chadwick va descobrir el neutrón en 1932, any que pot considerar-se com l'inici de la física nuclear moderna.[8]
El model d'àtom proposat per Niels Bohr consisteix en un nucli central compost per partícules que concentren la pràctica majoria de la massa de l'àtom (neutrones i protones), envoltat per diverses capes de partícules carregades gairebé sense massa (electrons). Mentre que la grandària de l'àtom resulta ser de l'ordre de l'angstrom (10-10 m), el nucli pot mesurar-se en fermis (10-15 m), o sigui, el nucli és 100.000 vegades menor que l'àtom.
Tots els àtoms neutros (sense càrrega elèctrica) posseeixen el mateix nombre d'electrons que de protones. Un element químic es pot identificar de forma inequívoca pel nombre de protones que posseeix el seu nucli. Aquest nombre es diu nombre atòmic (Z). El nombre de neutrones (N) no obstant això pot variar per a un mateix element. Per a valors baixos de Z aquest nombre tendeix a ser molt semblat al de protones, però a l'augmentar Z es necessiten més neutrones per a mantenir l'estabilitat del nucli. Als àtoms als quals sol els distingeix el nombre de neutrones en el seu nucli (en definitiva, la seva massa), se'ls crida isótopos. La massa atòmica d'un isótopo ve donada per A=Z+N o, el nombre de protones més el de neutrones que posseeix en el seu nucli.
Per a denominar un isótopo sol utilitzar-se la lletra que indica l'element químic, amb un superíndice que és la massa atòmica i un subíndice que és el nombre atòmic (p. ej. l'isótopo 238 de l'urani s'escriuria com{238}\!U" src="../../../../math/8/e/7/8e7130ea860faa7da4ccf050818e5904.png" /\>]).
[editar] El nucli
Els neutrones i protones que formen els nuclis tenen una massa aproximada d'1 o, estant el protón carregat eléctricamente amb càrrega positiva +1, mentre que el neutrón no posseeix càrrega elèctrica. Tenint en compte únicament l'existència de les forces electromagnètica i gravitatoria, el nucli seria inestable, fent impossible l'existència de la matèria. Per aquest motiu (ja que és obvi que la matèria existeix) va ser necessari afegir als models una tercera força: la força forta (avui dia força nuclear forta residual). Aquesta força havia de tenir com característiques, entre unes altres, que era atractiva a distàncies molt curtes (sol en l'interior dels nuclis), sent repulsiva a distàncies més curtes (de la grandària d'un nucleón), que era central en cert rang de distàncies, que depenia de l'espín i que no depenia del tipus de nucleón (neutrones o protones) sobre el qual actuava. En 1935, Hideki Yukawa va donar una primera solució a aquesta nova força establint la hipòtesi de l'existència d'una nova partícula: la fonda. El més lleuger de les fondes, el pión, és el responsable de la major part del potencial entre nucleones de llarg abast (1 fm). El potencial de Yukawa (potencial OPEP) que descriu adequadament aquesta part de la força forta es pot escriure com:.{- \frac {r}{R}}}{\frac{r}{R}}" src="../../../../math/3/f/b/3fbcf5b465c233174c85f45d6d2861f7.png" /\>