Uranio 238

Al pensar en la desintegración me ha traído a la memoria otros materiales que también se desintegran de manera natural y que son materiales fértiles, o que sin serlo, se pueden transformar en otros que sí lo son.

Al hablar de material fértil me estoy refiriendo a núclidos que pueden absorber neutrones para formar material fisible. El uranio-238, por ejemplo, absorbe un neutrón para formar uranio-239, que se desintegra en plutonio-239. Este es el tipo de conversión que la imaginación del hombre hace que ocurra en un reactor reproductor.

Isaac Asimov lo explicaba así::

El uranio-235 es un combustible práctico, es decir, los neutrones lentos son capaces de hacer que el uranio-235 se fisione, o lo que es lo mismo, se rompan sus átomos en dos, produciendo neutrones lentos, que a su vez inducen otras fisiones atómicas. El uranio-233 y el plutonio-239 son también combustibles nucleares prácticos por las mismas razones.

Desgraciadamente, el uranio-233 y el plutonio-239 no existen en estado natural sino en trazas mínimas, y el uranio-235, aunque existe en cantidades apreciables, no deja de ser raro. En cualquier muestra de uranio natural, sólo siete de cada mil átomos son de uranio-235, el resto es uranio-238.

Científicos chinos han logrado extraer uranio y plutonio de combustible gastado tras la obtención de energía nuclear, un avance que según los expertos podría multiplicar por 60 la duración de estas fuentes de energía atómica,

El uranio-238, la variedad común de uranio, no es un combustible nuclear práctico. Así que, el uranio que más abunda en la naturaleza no sirve como combustible nuclear. Podemos conseguir que se fisione, pero sólo con neutrones rápidos. Los átomos de uranio-238 que se rompen en dos, producen neutrones lentos, que no bastan para producir o inducir nuevas fisiones.  El uranio-238 cabría compararlo a la madera húmeda: es posible hacer que arda, pero acabará por apagarse.

Supongamos, sin embargo, que se separa el uranio-235 del uranio-238 (trabajo más bien difícil) y que se utiliza aquel para hacer funcionar un reactor nuclear. Los átomos de uranio-235 que forman el combustible del reactor se fisionan y esparcen miríadas de neutrones lentos en todas direcciones. Si el reactor está rodeado por una capa de uranio ordinario (que en su mayor parte es uranio-238), los neutrones que van a parar allí son absorbidos por el uranio-238 y, aunque no pueden hacer que el uranio-238 se fisione, sí pueden provocar otros cambios que finalmente, producirán plutonio-239. Separando este plutonio-239 del uranio (tarea muy fácil), puede ser utilizado como combustible nuclear practico para la fisión.

De esta manera, el reactor nuclear genera nuevo combustible a partir de un material (uranio-238) que no lo es. Este es el motivo de que al reactor nuclear que hace posible la transformación se le llame “reactor generador”.

El Reactor Generador TR10 permite convertir uranio-238 en plutonio-239 dentro de su mismo núcleo

Un reactor generador bien diseñado puede producir más plutonio-239 que el uranio-234 consumido para ello. De este modo, las reservas totales de uranio de la Tierra (y no sólo las de uranio-235) se convierten en potenciales de combustible nuclear.

El torio, tal como se da en la naturaleza, consiste todo él en torio-232, que al igual que el uranio-238, no es un combustible nuclear práctico, porque requiere neutrones rápidos para fisionarse. Pero si se coloca torio-232 alrededor de un reactor nuclear, sus átomos absorberán los neutrones y, sin experimentar fisión alguna, se convertirán en átomos de uranio-233. Como el uranio-233 es un combustible práctico que se puede separar fácilmente del torio, el resultado es otra variedad del reactor generador, que convierte las reservas de torio en un combustible nuclear en potencia.

El torio es un elemento naturalmente radiactivo de símbolo Th y número atómico 90. Descubierto en noruega por el minerólogo Thrane Esmark e identificado y nombrado por el químico sueco Jons Berzelius en 1828. El Torio fue nombrado en honor al dios nordico del trueno Thor.

Se encuentra en 13 lugares más arriba en la lista de elementos más abundantes de la tierra que todos los isótopos del uranio. Esto se debe a que cierto isótopo del torio, el 232Th decae más lentamente que el uranio, de hecho lo hace tan lento que su vida media es comparable con la edad del universo.

La cantidad total de uranio y de torio que hay en la Tierra es unas 800 veces mayor que las reservas de uranio-235, lo que significa que el buen uso de los reactores generadores podría multiplicar por 800 la oferta potencia de energía extraída de plantas de fisión nuclear.

En este punto, sin dejar de elogiar la inteligencia del hombre que ha sabido encontrar la manera de transformar una materia inservible en otra practica, hay que decir que la energía de fisión nuclear genera también muchos problemas.

Como estará comprobando al lector de este trabajo, el autor ha querido esta vez diversificar los temas y plasmar una variedad múltiple que facilite el conocimiento de distintas cosas que ocurren en la naturaleza, o que la mano del hombre hace que ocurran, y todas estas cuestiones tratadas aquí van encaminadas a resolver preguntas que en alguna ocasión nos hemos podido hacer, tales como:

¿Por qué al calentar un metal se pone primero rojo, luego naranja, después amarillo, pero a continuación blanco en lugar de seguir el espectro y ponerse verde?

Cualquier objeto, a cualquier energía superior al cero absoluto, radia ondas electromagnéticas. Si su temperatura es muy baja, emite sólo ondas de radio largas, muy pobres en energías. Al aumentar la temperatura, radia una cantidad mayor de ondas, pero también empieza a radiar ondas de radio más cortas (y más energéticas). Si la temperatura sigue subiendo, empiezan a radiarse microondas aún más energéticas y después radiaciones infrarrojas.

Esto no quiere decir que a una temperatura dada sólo se emitan ondas de radio largas, un poco más arriba sólo ondas de radio cortas, luego sólo microondas y después sólo infrarrojos. En realidad, se emite toda la gama de radiaciones, pero siempre hay una radiación máxima, es decir, una gama de longitudes de onda que son las más radiadas, flanqueadas por cantidades menores en el lado de las energías bajas y por cantidades todavía más pequeñas en el de las altas.

Cuando un objeto alcanza la temperatura del cuerpo humano (37°C), el máximo de radiación se encuentra en los infrarrojos largos. El cuerpo humano también radia ondas de radio, pero las longitudes de ondas más cortas y más energéticas son siempre las más fáciles de detectar por ser los más potentes.

Cuando la temperatura alcanza aproximadamente los 600°C, el máximo de radiación se halla en el infrarrojo corto. Pero a estas alturas la pequeña cantidad de radiación que se halla en el lado de las energías altas adquiere una importancia especial, porque entra ya en la región de la luz visible roja. El objeto reluce entonces con un rojo intenso.

Este rojo constituye sólo un pequeño porcentaje de la radiación total, pero como da la casualidad de que nuestro ojo lo percibe, le otorgamos toda nuestra atención y decimos que el objeto está al “rojo vivo”.

Si la temperatura sigue subiendo, el máximo de radiación continúa desplazándose hacia las longitudes de ondas cortas y cada vez se emite más luz visible de longitudes cada vez menores. Aunque el objeto radia más luz roja, se van agregando poco a poco luz anaranjada y luz amarilla en cantidades menores pero significativas. Al llegar a los 1.000°C la mezcla de colores la percibimos como naranja, y a los 2.000°C como amarilla. Lo cual no significa que a los 1.000°C sólo se radie luz naranja y a los 2.000°C sólo se radie luz amarilla, porque si fuese así, habría efectivamente que esperar que lo siguiente fuese “color verde”. Lo que en realidad vemos son mezclas de colores.

Al llegar a los 6.000°C (la temperatura superficial del Sol), el máximo de radiación está en el amarillo visible y lo que llega a nuestros ojos son grandes cantidades de luz visible, desde el violeta hasta el rojo. La incidencia simultánea de toda la gama de luz visible sobre nuestra retina nos da la sensación de blanco, y de ahí el color del Sol.

Los objetos más calientes aún que el Sol radian todas las longitudes de ondas de luz visible y en cantidades todavía mayores, pero el máximo de radiación se desplaza al azul, de modo que la mezcla se desequilibra y el blanco adquiere un tinte azulado.

Toda esta travesía se produce para objetos calientes que emiten “espectros continuos”, es decir, que radian luz en la forma de una ancha banda de longitudes de ondas. Ciertas sustancias en condiciones adecuadas, radian sólo luz de determinadas longitudes de onda. El nitrato de bario radia luz verde cuando se calienta, y con ese fin se lo utiliza en los fuegos de artificio,  “calor verde”, podríamos decir.

¡Qué bonito es saber!

Tubos de descarga conteniendo gases nobles, excitados eléctricamente, mostrando la luz emitida.

En alguna ocasión todos hemos oído mencionar la palabra “gases nobles”, y sin embargo no siempre sabemos lo que son y el por qué le llaman así.

Los elementos que reaccionan difícilmente o que no reaccionan en absoluto con otros elementos se denominan “inertes”. El nitrógeno y el platino son ejemplos de elementos inertes.

En la última década del siglo pasado se descubrieron en la atmósfera una serie de gases que no parecían intervenir en ninguna reacción química.  Estos nuevos gases (helio, neón, argón, kripton, xenón y radón) son más inertes que cualquier otro elemento y se agrupan bajo el nombre de gases inertes.

Los elementos inertes reciben a veces el calificativo de “nobles” porque esa resistencia a reaccionar con otros elementos recordaba un poco a la altanería de la aristocracia. El oro y el platino son ejemplos de “metales nobles”, y por la misma razón se llaman a veces “gases nobles” a los gases inertes. Hasta 1.962, el nombre más común era el de gases inertes, quizá porque lo de nobles parecía poco apropiados en sociedades democráticas.

La razón de que los gases inertes sean inertes es que el conjunto de electrones de cada uno de sus átomos está distribuido en capas especialmente estables. La más exterior, en concreto, tiene 8 electrones. Así la distribución electrónica del neón es (2,8) y la del argón (2,8,8). Como la adición o sustracción de electrones rompe esta distribución estable, no pueden producirse cambios electrónicos. Lo cual significa que no pueden producirse reacciones químicas y que estos elementos son inertes.

Ahora bien, el grado de inercia depende de la fuerza con que el núcleo, cargado positivamente y situado en el centro del átomo sujeta a los 8 electrones de la capa exterior. Cuantas más capas electrónicas haya entre la exterior y el centro, más débil será la atracción del núcleo central sobre los electrones de esa última capa de electrones.

Quiere esto decir que el gas inerte más complejo es también el menos inerte. El gas inerte de estructura atómica más complicada es el radón. Sus átomos tienen una distribución electrónica de (2,8,18,32,18,8). El radón, sin embargo está sólo constituido por isótopos radiactivos y es un elemento con el que difícilmente se pueden hacer experimentos químicos. El siguiente en orden de complejidad es el xenón, que es estable. Sus átomos tienen una distribución electrónica de (2,8,18,18,8).

Los electrones más exteriores de los átomos de xenón y radón están bastante alejados del núcleo y, por consiguiente, muy sueltos. En presencia de átomos que tienen una gran apetencia de electrones, son cedidos rápidamente. El átomo con mayor apetencia de electrones es el flúor, y así fue como en 1.962 el químico canadiense Neil Bartlett consiguió formar compuestos de xenón y flúor.

Desde entonces se han conseguido formar también compuestos de radón y kriptón. Por eso los químicos rehúyen el nombre de gases inertes, porque a fin de cuentas, esos gases no son completamente inertes. Hoy día se ha impuesto la denominación de “gases nobles”, y existe toda una rama de la química que se ocupa de los “compuestos de gases nobles”.

Naturalmente, cuanto más pequeño es el átomo de un gas noble, más inerte es, y no se ha encontrado nada que sea capaz de arrancarles algún electrón. El argón, cuya distribución electrónica es de 2,8,8 y el neón, con 2,8 electrones respectivamente, sigue siendo completamente inerte. Y el más inerte de todos es el helio, cuyos átomos contienen una sola capa electrónica con dos electrones (que es lo máximo que puede alojar esta primera capa) que al estar en la primera linea cerca del núcleo positivo, están fuertemente atraídos al tener su carga eléctrica el signo negativo.

Para finalizar diré que los gases nobles (gases inertes, gases raros) están clasificados en el grupo 18 (antiguamente 0) de la tabla periódica de dos elementos y se definen por símbolos que responden a: helio (He), neón  (Ne), argón (Ar), kriptón (Kr), xenón (Xe) y radón (Rn).

Ya se dijo antes la configuración electrónica de cada uno de ellos y todas las capas internas están completamente ocupadas, lo que hace que estos elementos, por tanto, constituyan la terminación de un periodo y posean configuración de capa completa, por lo que sus energías de ionización son muy elevadas y su reactividad química escasa.

Como son monoatómicos, las moléculas de los gases nobles poseen simetría esférica, y las fuerzas intermoleculares son muy débiles, por lo que sus entalpías de vaporización son muy bajas.

Con todo lo anteriormente expuesto sobre los gases nobles, espero que el lector del trabajo aquí reflejado pueda tener una idea más amplia y un conocimiento más certero sobre lo que en realidad son los denominados como “gases nobles”.

En comparación con la inmensidad del universo, nos queda aún muchísimo que aprender. Si nos limitamos a nuestro entorno más cercano, la Tierra, ¿cómo hemos podido llegar tan lejos?

¡La curiosidad! y ¡La necesidad! ¡El Instinto!

Fuente: Isaac Asimov

Publica: emilio silvera

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Fusión de deuterio con tritio, por la cual se producen helio 4, se liberan un neutron  y se generan 17,59 MeV de energía, como cantidad de masa apropiada convertida de la energía cinética de los productos, según la fórmula E = Δm c². En realidad, lo que estamos intentando hacer, es copiar lo que hace el Sol y todas las estrellas del Universo.

El mundo, como el Universo mismo, funciona porque la energía está presente y hace posible los cambios y transiciones de fase que se producen en las cosas, en los planetas y en las estrellas que, con el paso del tiempo van cambiando al mismo tiempo que consumen energía. Así las cosas, tenemos que convenir que la energía, es muy necesaria para todo y también, para el progreso y continuidad de nuestras modernas sociedades.

Una de las posibles energías que se investigan y se está tratando de dominar es la llamada energía de fusión que consiste, en hacer lo mismo que hacen las estrellas del cielo “fusionar materiales ligeros en otros más pesados produciendo, en el proceso, mucha energía”.

El sueño de los científicos está centrado en conseguir esa clase de energía -que tiene muchos inconvenientes a la hora de plasmarla en realidad-, de una manera que posibilite ser generada en condiciones ambientales normales consiguiendo la reacción precisa pero, las estrellas necesitan hacerlo con plasma a más de quince millones de grados.

Claro que calentar en la Tierra combustible a tan altísimas temperaturas, del orden de 160 millones de grados (equivalente a una energía por partícula de 15 keV) en el caso de la reacción más accesible, que es la que se realiza con Deuterio y Tritio para dar lugar a un Neutrón más un núcleo de Helio o partícula Alfa:

D + T → He (3,5 MeV) + n (14,1 Mev)

Una central eléctrica de fusion utilizaría como materias primas deuterio, un isótopo que supone el 0,03% del hidrógeno terrestre, y tritio, otro isótopo del hidrógeno que no existe en la Naturaleza pero que se puede obtener de otro elemento muy abundante y distribuido por todo el planeta, el litio, siguiendo la reacción:

N + Li → T + He

En la que se utilizan los propios neutrones de 14,1 MeV generados en la fusión.

Las reservas de Deuterio en el agua de la corteza terrestre y las de Litio, en minas de Sal o en las propias sales disueltas en el agua del Mar, permitirían alimentar a la Humanidad de energía de fusión durante millones de años. Por otro lado, la emisión del reactor al exterior se compone básicamente de helio, un gas que es inocuo para las personas y el medio ambiente y que ni siquiera se acumula en la atmósfera sino que se escapa al espacio gradualmente, pero además, tiene aplicaciones industriales.

Así que, como aquel que dice, de un plumazo, habríamos solucionado el problema de la contaminación y, los residuos, no sólo no serían nocivos como ocurre con los que producen las Centrales Nucleares, sino que, por el contrario, se podrían aprovechar.

Claro que las cosas nunca han resultado fáciles, y, todos los logros der la Humanidad han sido largos y a veces hasta penosos. Para conseguir la fusión de núcleos de Deuterio y Tritio de forma energéticamente rentable sería necesario, calentar el combustible a temperaturas de centenares de millones de grados. A estas temperaturas el combustible se encuentra en estado de Plasma, es decir, un gas de iones y electrones libres con carga eléctrica neta cero y con un comportamiento colectivo. La física de este plasma y la manera de confinarlo sin barreras materiales, inviables a tales temperaturas, es el objetivo principal de la investigación en el campo de la fusión.

¿Cómo se está procediendo para conseguir tal maravilla?

El esfuerzo está encaminado, en su mayor parte, en la búsqueda de un Campo magnético capaz de mantener confinado el Plasma. Las partículas cargadas en el seno de un campo magnético describen trayectorias helicoidales cuyos ejes son aproximadamente las líneas de campo. A las temperaturas y campos magnéticos típicos, de decenas de keV y varios Tesla,el radio de giro de la hélice, denominado radio Larmor, es del orden de una décima de milímetro para los electrones y varios milímetros para los iones de deuterio y tritio. De esta forma iones y electrones quedan virtualmente atrapados, pudiendo desplazarse sólo a lo largo de las líneas del campo. Si cerramos las líneas del campo sobre sí mismas utilizando una geometría toroidal, podemos mantener confinado el plasma.

Al día de hoy existen dos grandes familias de dispositivos de confinamiento magnético con geometría toroidal, conocidos como Tokamak y Stellarator. Los dos conceptos son dos formas diferentes de resolver un problema intrínseco de la configuración magnética toroidal: la generación del campo magnético confinante, lo cual, no resulta nada fácil.

No vamos explicar aquí y ahora los resultados de estos dos sistemas y los beneficios alcanzados por los mismos, sería muy técnico y largo de explicar.

El tiempo ha ido pasando y, desde aquellos primeros momentos y pruebas, se ha ido aprendiendo y mejorando las técnicas hasta llegar al Proyecto ITER que ha mejorado todo lo anterior en prácticamente cinco órdenes de magnitud. Se ha mejorado el confinamiento mediante la construcción de experimentos de mayor tamaño y eficiencia, se han desarrollado métodos para calentar el Plasma hasta las temperaturas de decenas de keV, se han desarrollado sofisticados sistemas para el control de la corriente del Plasma e incluso se han realizado los primeros experimentos de generación de neutrones y partículas Alfa que tuvieron lugar por primera en 1991 en el JET, el mayor tokamak del mundo con 100 m³ de Plasma.

En 1994 el Tokamak TFTR de Princeton (EE UU) alcanzó potencias de fusión de 11 MW, y JET de nuevo en 1997, alcanzó los 16 MW pero todavía lejos de obtener una ganancia energética neta, ya que para poder hacerlo hicieron falta 24 MW, más de lo que se logró generar.

El objetivo está centrado en obtener en el ITER diez veces más de energía que la necesaria para mantener el Plasma, o en otros términos mantener un factor de amplificación de Q = 10. ITER será todavía un experimento y no será un Generador de electricidad hasta que no consiga este objetivo propuesto.

Aquí, en todo este “mundillo” de la fusión nuclear, el campo tecnológico implicado es alucinante y obliga, para conseguir los objetivos, a unos avances en el campo de fuerza magnética que, a muchos, está dejando con la boca abierta por el asombro. Sin embargo, falta mucho para conseguir lo propuesto.

Aquí, el problema fundamental que se presenta es el de los materiales que son necesarios para el Reactor, no sirven los materiales que tenemos y, sin más remedio, habrá que investigar para conseguir materiales más eficientes y que puedan, soportar, lo que en ese trabajo se les requiere.

Los dos desafíos fundamentales son:

a)   El problema de la interacción Plasma-pared. Aunque el campo magnético confina el campo de alta temperatura, inevitablemente la difusión hace que las partículas acaben alcanzando la pared, dando lugar a cargas térmicas que pueden alcanzar los 10 MW/m² y causando una importante erosión a los materiales de la misma. Para paliar este problema, se está trabajando en dos frentes que, posiblemente, puedan solucionarlo.

b)   Materiales resistentes a neutrones. Las reacciones de fusión nuclear generan neutrones de 14 MeV de energía que producen daños en el material estructural del Reactor, así como burbujas de Hidrógeno y Helio que empeoran las propiedades del mismo. Y, otra reacción que producen esos neutrones es que, materiales estables se convierten en radiactivos, dando lugar a residuos indeseables aunque de media y baja actividad y no tan malos como los del Uranio, sí deben ser custodiados adecuadamente.

El ITER estará equipado con unos pequeños módulos de prueba para la regeneración de tritio a partir de compuestos de litio, pero no contará con un sistema completo capaz de producir todo el tritio que consuma. Estos sistemas son absolutamente necesarios en un Reactor Productor de electricidad y suponen un formidable desafío tecnológico ya que han de cumplir con la triple función de regenerar el tritio, extraer las energías que transportan los neutrones y servir de blindaje para que no lleguen neutrones a las bobinas superconductoras y otros componentes sensibles.

Al día de hoy son varios los programas en desarrollo que andan a la búsqueda de la Fusión Nuclear, unos están financiado por varios países, otros por países individuales y, alguno, son de iniciativa particular de Empresas.

Seguramente, dentro de 40 años, cuando miremos hacia el pasado de la Fusión Nuclear, nos parecerán rudimentarios estos proyectos que hoy, son de la más alta tecnología que tenemos pero, en la ciencia, siempre será así.

Publica: emilio silvera

Fuente: Revista de Física Volumen 27, número 2 de 2.013

Autores: F. Castejón, C. Hidalgo y J. Sánchez

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