Glosario de química
Energía nuclear
La energía nuclear es la energía liberada durante reacciones nucleares, como la fisión o fusión de núcleos atómicos.
Definición de energía nuclear
La energía nuclear es la energía liberada (o absorbida) en reacciones que modifican el núcleo de los átomos. Procede de la fortísima fuerza que mantiene unidos a protones y neutrones (la interacción nuclear fuerte) y se manifiesta cuando esa configuración nuclear cambia.
La relación entre masa y energía la describe la famosa ecuación de Einstein:
E = m · c²
donde c = 3 × 10⁸ m/s es la velocidad de la luz. Una pérdida de masa muy pequeña libera una cantidad enorme de energía, lo que explica por qué las reacciones nucleares son millones de veces más energéticas que las químicas.
Tipos de reacciones nucleares
1. Fisión nuclear
Un núcleo pesado (uranio-235, plutonio-239) absorbe un neutrón, se vuelve inestable y se divide en dos núcleos más ligeros, liberando 2-3 neutrones libres y mucha energía. Esos neutrones provocan más fisiones (reacción en cadena) que pueden ser:
- Controlada: en reactores nucleares civiles, con barras de control de boro o cadmio que absorben neutrones excedentes.
- No controlada: en armas nucleares (bomba atómica), donde la reacción se autoacelera en microsegundos.
Una fisión típica:
²³⁵U + n → ¹⁴¹Ba + ⁹²Kr + 3 n + 200 MeV
Esos 200 MeV equivalen a unas 50 millones de veces más energía que la combustión de la misma masa de carbón.
2. Fusión nuclear
Dos núcleos ligeros (típicamente isótopos del hidrógeno: deuterio ²H y tritio ³H) se unen formando un núcleo más pesado, liberando energía aún mayor:
²H + ³H → ⁴He + n + 17,6 MeV
La fusión necesita temperaturas extremas (~10⁸ K) para vencer la repulsión electrostática entre los núcleos positivos. Por eso solo ocurre de forma natural en el interior de las estrellas (incluido nuestro Sol) o artificialmente en condiciones muy controladas (reactores experimentales tipo tokamak: ITER en Francia).
3. Desintegración radiactiva
Algunos núcleos naturales son inestables y se descomponen espontáneamente emitiendo partículas o radiación:
- Alfa (α): núcleos de helio (²₄He²⁺). Los emiten núcleos pesados como U, Th, Ra.
- Beta (β⁻ o β⁺): electrones o positrones. Cambia neutrones en protones (o al revés).
- Gamma (γ): fotones de alta energía. No cambia el número atómico.
La desintegración sigue la ley del decaimiento exponencial y se caracteriza por la vida media (tiempo en que se desintegra la mitad de la muestra).
Energía nuclear como fuente energética
La fisión controlada se usa para generar electricidad. Un reactor nuclear:
- Contiene barras de uranio enriquecido (3-5 % de ²³⁵U) como combustible.
- Las fisiones producen calor.
- El calor convierte agua en vapor.
- El vapor mueve turbinas conectadas a generadores eléctricos.
Una sola pastilla de combustible nuclear (~6 g) libera tanta energía como una tonelada de carbón. La densidad energética es 1-3 millones de veces mayor.
Ventajas y desventajas
Ventajas:
- Densidad energética altísima: poco combustible, mucha energía.
- Bajas emisiones de CO₂: no contribuye al efecto invernadero (las emisiones provienen solo de la construcción, minería y transporte).
- Suministro estable: funciona 24/7, independiente del clima.
- Reservas amplias: con tecnología de torio o reactores reproductores, se podría extender muchísimo.
Desventajas:
- Residuos radiactivos: vidas medias de miles a millones de años. Requieren almacenamiento geológico profundo.
- Riesgo de accidentes: Chernóbil (1986) y Fukushima (2011) mostraron las consecuencias de fallos graves.
- Coste y plazos: construir un reactor cuesta miles de millones y lleva 10-15 años.
- Posible proliferación: la tecnología puede usarse para armas si se desvía.
Aplicaciones civiles más allá de la electricidad
- Medicina nuclear: radiofármacos para diagnóstico (Tc-99m en gammagrafía, F-18 en PET) y tratamiento (radioterapia, braquiterapia).
- Industria: análisis por activación neutrónica, esterilización por radiación gamma, detección de fugas.
- Investigación: aceleradores de partículas, reactores de investigación, datación radiométrica (¹⁴C, ⁴⁰K/⁴⁰Ar).
- Propulsión: submarinos y portaaviones nucleares; futuros vehículos espaciales (NTP, propulsión nuclear térmica).
Errores frecuentes en exámenes
- Confundir reacción nuclear con reacción química: las nucleares afectan al núcleo (cambian el elemento); las químicas afectan solo a los electrones.
- Decir que la fusión es más fácil que la fisión: al contrario; la fusión requiere temperaturas extremas (~10⁸ K). La fisión empieza con un solo neutrón térmico.
- Pensar que toda radiactividad es peligrosa: depende del tipo, energía y dosis. La radiación natural (rocas, espacio, alimentos como plátanos) es inevitable y muy baja.
- Asumir que las centrales nucleares «pueden explotar como una bomba»: técnicamente imposible. El combustible está poco enriquecido y la geometría no permite reacción en cadena explosiva.
La unidad de la energía nuclear
En el contexto nuclear, las energías se miden habitualmente en megaelectronvoltios (MeV):
- 1 eV = 1,602 × 10⁻¹⁹ J
- 1 MeV = 10⁶ eV = 1,602 × 10⁻¹³ J
Para hacerte una idea: una reacción química típica libera ~5 eV por enlace; una fisión nuclear libera ~200 MeV. Cuatro órdenes de magnitud de diferencia.