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Ciencias y letras por Salvador Ruíz Fargueta

Ciencias y letras, trata de acercar las dos culturas , favorecer su mestizaje. En realidad, sólo es una cultura que nos puede acercar más a nosotros mismos, a las complejas relaciones humanas, al mundo y a sus interrogantes. El autor, ingeniero y físico, es editor de La bella teoría. Publica los días 1 de cada mes.

Energía nuclear: reactores, bombas y estrellas

La famosa piedra filosofal, buscada durante siglos por los alquimistas, equivaldría a lo que hoy conocemos como reacciones nucleares. Ya sea rompiendo los núcleos de los elementos pesados inestables, o fusionando los núcleos más ligeros conseguimos transmutar unos elementos en otros. Pero el valor de esa transformación no lo da el oro que buscaban los alquimistas sino las inmensas energías desatadas durante el proceso.

Algo de historia
A principios del siglo XX, el gran físico Ernest Rutherford efectuó uno de los experimentos más importantes de la física. Bombardeó con un rayo de partículas alfa (núcleos de helio) una delgada lámina de pan de oro. La mayoría de las partículas la atravesaron sin desviarse, algunas se desviaron ligeramente, y unas pocas se dispersaron en ángulos bastante grandes. Rutherford dedujo que las partículas alfa, con carga positiva, se desviaban por el efecto de los núcleos de carga positiva situados en el centro de los átomos de oro. Acababa de demostrar la existencia del núcleo atómico.

Ahora sabemos que los átomos están, prácticamente, vacíos. Cada núcleo contiene protones y neutrones (nucleones) y ocupa un espacio unas 10.000 veces menor que el propio átomo. La llamada fuerza fuerte mantine la cohesión del núcleo. Es llamada así por ser la interacción más fuerte de la naturaleza, una 100 veces mayor que la fuerza electrostática. Debe ser así, pues en caso contrario el núcleo se desintegraría debido a la fuerza de repulsión entre los protones.El átomo ya no era la parte más pequeña de la materia, Rutherford demostró que tenía una estructura y estaba formado por partículas más pequeñas. Un núcleo con carga positiva alrededor del cual estarían los electrones con carga negativa capaz de neutralizarlo.

Más colisiones, y más fuertes
Desde el experimento de Rutherford los físicos han seguido explorando la estructura de los átomos y de las partículas subatómicas de forma similar, forzando colisiones mediante aceleradores de partículas y analizando sus resultados. Los aceleradores pueden ser de forma circular o rectilínea, y utilizan campos magnéticos y eléctricos para acelerar hasta grandes velocidades las partículas de su interior. Cuanto más pequeña sea la estructura a estudiar mayor es la energía necesaria para escudriñarla.Por esta razón necesitamos cada vez más energía en los aceleradores de partículas. El más potente, en la actualidad, es el Gran Colisionador de Hadrones o LHC diseñado para colisionar haces de protones que son acelerados a velocidades cercanas a la velocidad de la luz, y chocan entre sí, en direcciones diametralmente opuestas, produciendo altísimas energías que permitirán simular algunos eventos ocurridos durante o inmediatamente después del Big Bang.

Estabilidad nuclear
Para que un núcleo sea estable es necesario que exista un equilibrio entre las fuerzas electroestáticas de repelencia entre los protones y la fuerza nuclear fuerte. Cuando no es posible, los núcleos inestables tratan de conseguir la estabilidad despidiendo material, lo que aumenta la llamada energía de anclaje por nucleón. El proceso espontáneo que tiene lugar cuando un núcleo atómico inestable trata de estabilizarse se denomina radiactividad. Va acompañado de la emisión de partículas alfa o beta, seguida a veces por la emisión de energía en forma de rayos gamma.

Una partícula alfa se compone de dos protones y de dos neutrones, la particula beta es un electrón o un positrón y los rayos gamma son una forma de radiación electromagnética de onda corta, semejantes a los rayos X de alta energía.
Después de sufrir los fenómenos radiactivos, el núcleo se transmuta en otro diferente. Por ejemplo, el núcleo de Radio 88 pasa a ser gas Radón 86, por la pérdida de dos protones. El Nitrógeno 7, mediante la emisión de un positrón (beta +) se transforma en Carbono 6. La piedra filosofal que buscaban los químicos medievales capaz de transmutar los átomos de un elemento a otro, en realidad, era el fenómeno que denominamos radiactividad.

Energía nuclear
Existe una radiación natural que partiendo del Uranio, Torio y Actinio es capaz de convertirlos, mediante desintegraciones alfa y beta, en isótopos estables del Plomo. También se puede crear una radiactividad artificial bombardeando un núcleo con neutrones de alta velocidad. El caso más conocido es el del uranio: se bombardea con neutrones y cada núcleo se fisiona en dos partes casi iguales. El proceso va acompañado por la liberación de dos o tres neutrones y gran cantidad de energía.Por encima de una masa determinada de material radiactivo, se puede asegurar que por cada transformación existe, por lo menos, un neutrón capaz de seguir la reacción nuclear al fragmentar un nuevo núcleo. Si se permite que la reacción quede fuera de control tendremos una explosión nuclear, la llamada bomba atómica. Si se modera y controla la reacción dispondremos de toda esa energía para utilizarla para calentar agua y producir vapor capaz de mover turbinas y generar energía eléctrica. Tendremos una central nuclear. En estas reacciones se pierde cierta cantidad de masa que aparece en forma de energía de acuerdo con la famosa fórmula de Einstein de E = mc2 .

Utilizando elementos pesados con núcleos inestables vemos que podemos valernos de esa inestabilidad para generar energía nuclear. Pero también se pueden utilizar núcleos de elementos ligeros para producir energía nuclear. Esta vez se fusionan los núcleos en lugar de dividirse, e, igualmente, la masa perdida aparece en forma de energía por el mismo principio de equivalencia entre masa y energía que hemos indicado. Para lograr esta fusión se necesitan temperaturas de cientos de millones de grados. En las estrellas existen estas temperaturas, y la fusión del hidrógeno que origina el helio las mantiene brillando durante millones de años.

Toda esa energía descontrolada origina la llamada bomba de hidrógeno, y moderada convenientemente será capaz de producir energía con fines pacíficos, en los futuros reactores de fusión nuclear. Cuando se consiga controlar la fusión, de forma práctica, cada reactor será como una pequeña estrella artificial de la que podremos extraer de forma gradual toda su energía.

Salvador Ruiz Fargueta | 01 de febrero de 2010


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