Seguramente has oído hablar de las bombas atómicas, un ejemplo del uso militar de la energía atómica. Una bomba atómica es un dispositivo (artefacto) que emplea la reacción en cadena no controlada de material fisible. El proceso es extremadamente rápido, por lo que se acumula la energía y la temperatura que se alcanza es extremadamente alta, del orden de varios decenas de millones de grados.

Little Boy (fuente: : U.S. Archivo Nacional, RG 77-AEC, desclasificado en 1960).

La presión dentro del material fisible a estas temperaturas es enorme y el dispositivo explota. Para que esto ocurra, la bomba debe tener una masa crítica (o supercrítica) de material fisible. Sin embargo esto no significa que todo el material fisione. La explosión ocurre antes de que todo el ²³⁵U tenga la oportunidad de fisionarse, por ejemplo en la bomba lanzada en Hiroshima, solo el 2 % del uranio fisionó. Pero esta cantidad fue suficiente para producir una destrucción brutal.

La potencia letal de estas bombas plantea importantes preguntas éticas en relación a la investigación y desarrollo de estas armas.

La posibilidad de que terroristas obtengan y usen bombas atómicas es un reto urgente y catastrófico a la seguridad global. En abril del 2010 la Cumbre de Seguridad Nuclear en Washington se concentró en la amenaza de terrorismo nuclear y los participantes alcanzaron convenios concretos sobre como aumentar la seguridad de los materiales nucleares y de reducir la disponibilidad de plutonio y de uranio altamente enriquecido.

La energía nuclear puede ser utilizada en dispositivos muy pequeños como baterías. Al explorar los planetas y el espacio, se necesitan baterías de larga duración y eficientes (de hecho, los marcapasos utilizados por personas con enfermedades cardíacas serias también son alimentados por dichas baterías). Algunas fuentes de energía radiactivas se utilizan para este fin desde 1961.

Existen dos fuentes de alimentación de este tipo:

1) Generadores de radioisótopos termoiónicos en los que el calor nuclear se usa para crear una diferencia de potencial eléctrico entre dos electrodos metálicos, y

2) RTG – generadores termoeléctricos de radioisótopos en los que el calor residual de por ejemplo el 238Pu (0.56 W/g) se usa para calentar una unión PN (termopar).

Las sondas espaciales Voyager, la misión Galileo a Júpiter y la misión Cassini a Saturno están alimentadas por RTGs. Los rovers Spirit y Opportunity en Marte han usado paneles solares para generar electricidad y RTGs para producir calor. El rover Curiosity usa RTGs para generar tanto calor como electricidad ya que no se podría proporcionar suficiente electricidad únicamente mediante paneles solares.

También se han construido reactores nucleares pequeños que usan convertidores termoeléctricos o termoiónicos. Dichos reactores están siendo desarrollados para diversas aplicaciones en vehículos espaciales, por ejemplo para su propulsión.

El uso de combustible nuclear en un reactor nuclear da como resultado una producción de energía aproximadamente 100 millones (108) de veces mayor que la resultante del uso de una cantidad equivalente de reactivos químicos (!).

Dos sistemas de propulsión que emplean reactores nucleares han sido desarrollados hasta ahora. El primero, el llamado sistema de propulsión nuclear térmica (abreviado NTR, Nuclear Thermal Rockets), consiste en calentar un propelente de hidrógeno que se almacena a temperaturas bajas, en estado líquido. El gas de hidrógeno a aproximadamente 2500 °C es expulsado por una tobera para generar empuje. El segundo sistema, la propulsión nuclear-eléctrica (NEP), consiste en convertir energía nuclear en eléctrica y usar dicha energía para alimentar un dispositivo electromagnético que acelera iones a velocidades muy altas. Los iones acelerados, pasan por un neutralizador en la tobera y producen un chorro de átomos neutros que abandonan el motor, produciendo empuje. Este tipo de propulsión se ha usado en multitud de misiones orbitales, sobre todo soviéticas. Indudablemente, particularmente en misiones a largo plazo, la propulsión nuclear es ventajosa con respecto a la propulsión química.

El uso de energía nuclear en submarinos y aeronaves se consideró casi desde el comienzo de la historia de los reactores nucleares. El peligro relacionado con el uso de reactores nucleares en aeronaves no permitió el desarrollo real de la idea, ni en aviones civiles ni en militares, aunque la idea se usó y sigue siendo utilizada para la propulsión de vehículos espaciales. Sin embargo, la propulsión nuclear se usa con mucho éxito en barcos modernos militares y civiles.

El primer submarino nuclear americano “Nautilus”, cuya construcción comenzó en 1946 y botado en 1954, fue el primero en cruzar el Polo Norte por debajo del casquete polar ártico el día 23 de julio de 1958. El rompehielos nuclear “Arktica” de la antigua Unión Soviética fue la primera nave de superficie que alcanzó el Polo Norte el 17 de agosto de 1977. Estados Unidos también construyó portaaviones. El primero, el USS Enterprise, botado en 1960. El primer carguero, el NS Savannah, fue lanzado en Estados Unidos en 1959. Japón creó el buque mercante Mutsu en 1962.

Los reactores usados en aplicaciones navales son del tipo PWR. Todos los submarinos y naves de superficie rusas son alimentados por dos reactores. Por ello, es importante que los reactores sean los más compactos posible. Inicialmente, esto se consiguió mediante el uso de combustibles nucleares altamente enriquecidos: 235U con concentraciones de 90%. Recientemente, sin embargo, es más común el enriquecimiento de aproximadamente 20-25% en reactores americanos y de un 50% en los rusos.

A primera vista, parecería natural desear coches alimentados mediante energía nuclear, ya que en principio el motor de un coche podría funcionar durante muchos años sin la necesidad de cambiar los elementos de combustible. Sin embargo, la fuente de energía -un pequeño reactor nuclear- produciría neutrones: una radiación ionizante muy penetrante. Esta radiación sería perjudicial tanto para las pasajeros del coche como para los peatones alrededor del mismo. Con el fin de no exponer al conductor y los pasajeros a la radiación de neutrones, la protección radiológica del núcleo tendría que ser muy voluminosa y pesada -algo que no encaja realmente con nuestra idea actual de un coche de pasajeros utilitario.

Además, incluso si consiguiésemos construir un coche seguro de este tipo usando, por ejemplo, convertidores termoeléctricos eficientes, todavía estaría el difícil problema del control de los materiales radiactivos.

El Ford Nucleon fue un modelo conceptual a escala desarrollado por Ford Motor Company en 1958 con el objetivo de estudiar cómo podría ser un coche de propulsión nuclear. El diseño no incluía un motor de combustión interna, sino que se pretendía que el vehículo fuese accionado por un pequeño reactor nuclear en la parte trasera del mismo, basándose en la suposición de que esto sería posible algún día mediante la reducción del tamaño del reactor. El coche usaría entonces un motor de vapor alimentado por la fisión de átomos de uranio de forma similar a como funcionan los submarinos nucleares.

El hidrógeno juega un papel cada vez mayor en química, en agricultura (producción de fertilizantes nitrogenados), en la industria del petróleo, y como fuente potencial de la energía, es decir, como combustible. Se espera que entre la variedad de posibles aplicaciones del hidrógeno, su uso en pilas de combustible sea el más popular. A la luz del creciente interés en el hidrógeno, se estima que la energía necesaria para su producción dentro de poco puede ser tan grande como la producción actual de energía eléctrica.

Por lo tanto hay un gran interés en las fuentes de energía que puedan producir hidrógeno de forma eficiente, y aquí el uso de reactores nucleares podría ser vital, ya que los reactores nucleares pueden producir energía eléctrica para llevar a cabo la electrólisis del agua. La energía térmica nuclear también se puede utilizar para la producción de hidrógeno a partir de gas natural y, en los procesos termoquímicos, a partir de agua. En contraste con el proceso químico, las reacciones termoquímicas tienen la ventaja de que no producen dióxido de carbono. Dado que en ambos casos se necesitan temperaturas relativamente altas (1000-1300 K), los reactores de alta temperatura son susceptibles de ser utilizados para este propósito. Estos reactores funcionarían durante el día para la producción de electricidad, mientras que por la noche podrían producir hidrógeno para ser distribuido al día siguiente.

La energía nuclear ya se utiliza para la desalinización (o desalación) de agua del mar: un problema de suma importancia para una gran parte del mundo que sufren de la falta de agua potable, particularmente grave en Asia y África del Norte. Tales reactores pueden además producir electricidad, es decir, trabajar como pequeñas plantas de energía nuclear. Un ejemplo de un reactor nuclear que produce electricidad y agua desalinizada es el reactor rápido BN-350 en Aktau (Kazajistán). Japón, Rusia y Canadá tienen todos ellos experiencia con reactores nucleares empleados en la desalinización del agua y la Agencia Internacional de Energía Atómica (IAEA) está promoviendo enérgicamente este uso de la energía nuclear. La idea es utilizar las plantas de energía nuclear para producir electricidad para la red durante los períodos de mayor demanda y, cuando baja la demanda, usar parte de la electricidad producida con fines de desalación. Proyectos de este tipo se están desarrollando ya en la India, China, Rusia, Pakistán, Túnez, Marruecos, Egipto, Argelia, Irán, Corea del Sur, Indonesia y Argentina.

Los neutrones son partículas de gran interés para la ciencia. Aunque no tiene carga pueden actuar como diminutos imanes: decimos que poseen un momento magnético. Los neutrones libres se desintegran en un protón, un electrón y un antineutrino con una vida media de 10,25 minutos, por lo que los neutrones producidos en el Sol no tienen ninguna posibilidad de llegar a nuestro planeta. A pesar de que supuestamente no tienen carga eléctrica, los físicos buscan todavía una pequeña carga; sería noticia de primera plana si se encontrase tal carga. ¡ Hasta ahora hemos demostrado que la carga debe ser inferior a 10^-21 cargas elementales! Pero sabemos que hay cargas positivas y negativas dentro de un neutrón y esto nos hace preguntarnos si forman el llamado dipolo eléctrico con las cargas positivas y negativas separadas por una distancia pequeña. Hasta el momento se ha comprobado experimentalmente que tal separación debe ser menor de 10^-26 cm, lo que da idea de la precisión de los experimentos actuales.

Para llevar a cabo este tipo de estudios se necesita una gran cantidad de neutrones y los reactores nucleares son muy útiles, ya que son fábricas gigantes de neutrones. Los reactores diseñados para producir neutrones para experimentos son llamados reactores de investigación. Existen numerosas aplicaciones de los reactores de investigación en la ciencia, la medicina y la tecnología.

TRIGA Reactor de investigación TRIGA en AERE, en Bangladesh (Créditos Fotográficos: IAEA).

Las fuentes más utilizadas de neutrones para investigación son reactores que producen neutrones continuamente, como los reactores para producción de electricidad, estando en la mayoría de ellos el núcleo inmerso en una piscina de agua. El agua forma parte del sistema de refrigeración, actúa como un escudo radiológico y también es parte del sistema de moderación de neutrones. También hay fuentes pulsadas de neutrones que producen ráfagas periódicas de neutrones, algunos de ellos gracias a reacciones de espalación en vez de reacciones de fisión.

Un proceso que hoy en día requiere una tecnología tan avanzada ya se produjo de forma espontánea en la naturaleza hace unos dos millones de años. En la mina de uranio de Oklo en Gabón, África occidental, un descubrimiento sensacional tuvo lugar en junio de 1972. Se descubrió que el contenido de ²³⁵U en el mineral de uranio era sustancialmente menor que el 0,72% que se encuentra en cualquier otro lugar. ¿Cómo puede ser eso?

Ya que el ²³⁵U tiene una vida media más corta que el ²³⁸U, la abundancia relativa de ²³⁵U en el uranio hace 2 000 000 000 de años debe haber sido de 3,4%, en lugar del típico 0,72%. Resulta que un enriquecimiento del 3-4% de ²³⁵U en uranio es bastante típico en los reactores de potencia. Por lo tanto, las condiciones hidrogeológicas (el agua es un buen moderador de neutrones y puede servir también como un reflector) y la existencia de uranio enriquecido favorecieron la aparición de una reacción en cadena continua. Y esto es lo que ocurrió. El mineral se hizo cada vez más y más pobre en ²³⁵U, de modo que lo que se descubrió en 1972 era ²³⁵U empobrecido a base de reacciones de fisión en un reactor natural.

Se estima que estos reactores naturales (hasta ahora se han descubierto 17 reactores fósiles en Oklo) funcionaron durante aproximadamente 1 millón de años. Los estudios han demostrado que los reactores de Oklo crearon también ²³⁹Pu que se desintegró (por desintegración alfa) a ²³⁵U. ¡Éstos fueron los primeros reactores reproductores naturales! Oklo ha sido un regalo a la humanidad, porque los estudios de cómo los fragmentos de fisión de larga vida de Oklo se difunden a través de la tierra nos permite estimar la eficacia de los depósitos subterráneos de residuos nucleares actualmente en construcción.