¿Qué es la energía nuclear?

El núcleo de un átomo es muy pequeño. Pero, ¿es un hecho que un solo núcleo diminuto de un átomo producirá una cantidad masiva de energía nuclear? ¿Cuál es la fuente de esta electricidad y cómo se obtiene? Echemos un vistazo más de cerca a la tecnología nuclear y cómo se diferencia de otros tipos de energía.

¿Qué es la energía nuclear?

La energía nuclear es la energía almacenada dentro del núcleo de un átomo, que es una pequeña partícula que constituye toda la materia del universo. La masa de un átomo normalmente se concentra en el centro del núcleo. El núcleo está compuesto por dos partículas subatómicas: neutrones y protones . Los enlaces que mantienen unidos a los átomos proporcionan una gran cantidad de energía.

Radioactividad

Antonie Henri Becquerel, un físico francés descubrió que el uranio emite radiación espontáneamente. La emisión espontánea de radiación por parte del uranio o elementos de calor se conoce como radiactividad . Una sustancia o elemento que presenta la propiedad de radiactividad se conoce como sustancia radiactiva o elemento radiactivo .

En 1897, Rutherford descubrió que las radiaciones emitidas por los elementos radiactivos son de tres tipos:

(i) Partícula alfa: La partícula alfa es un núcleo de helio, es decir, un átomo de helio que ha perdido sus dos electrones orbitales.

(ii) Partícula Beta: Las partículas Beta son las corrientes de electrones que se mueven rápidamente. 

(iii) Rayos gamma: Los rayos gamma son simplemente la radiación de pequeñas longitudes de onda. 

Cuando una sustancia radiactiva emite radiación, su masa disminuye. Supongamos que M es la masa de una sustancia radiactiva antes de emitir la radiación y M es la masa de la sustancia después de emitir la radiación. Por tanto, la disminución de la masa de la sustancia viene dada por:

△m = (M – M’) 

Esta disminución de masa (△m) se convierte en energía E según la relación masa-energía de Einstein, 

mi = △mc ²

donde c la velocidad de la luz en el vacío que es igual a 3 × 10 ⁸ m/sy la energía E se conoce como energía nuclear .

Unidad de energía nuclear: La energía nuclear se expresa en electrón-voltio (eV) . 

Por tanto, 1 eV se define como la energía adquirida por una elección al pasar por una diferencia de potencial de un voltio. La energía nuclear de 1 eV es equivalente a Joules:

1 eV = 1,6 x 10 ^-19 C × 1 V = 1,6 × 10 ^-19 CV o 1,6 × 10 ^-19 J. 

Otra unidad para la energía nuclear es Mega electrón-voltio (MeV). La energía nuclear de 1 MeV se define como:

1 MeV = 10 ⁶ eV = 10 ⁶ × 1,6 × 10 ^-19 J = 1,6 × 10 ^-13 J .

reacciones nucleares 

Los núcleos atómicos sufren modificaciones como resultado de reacciones nucleares, que resultan en cambios en el propio átomo. Las reacciones nucleares cambian un aspecto en algo completamente nuevo. Sin embargo, la dispersión nuclear ocurre cuando un núcleo interactúa con otras partículas y luego se divide sin cambiar las propiedades de los otros núcleos.

Hay dos tipos de reacciones nucleares que pueden producir energía nuclear:

(i) Fisión nuclear: La fisión nuclear es el mecanismo por el cual el núcleo pesado de un átomo radiactivo, como el plutonio o el uranio, se rompe en núcleos más pequeños cuando es bombardeado por neutrones de baja energía.

(ii) Fusión nuclear: La reacción que requiere la fusión de dos elementos ligeros para producir un elemento más pesado y la liberación de energía se denomina fusión nuclear. 

Fisión nuclear  

Otto Hahn y Strassman descubrieron que el uranio-235 bombardeado por un neutrón se divide en dos núcleos comparativamente más ligeros. Este proceso se conoce como fisión nuclear . Los neutrones utilizados en la fisión del núcleo de Uranio tienen baja energía y se conocen como neutrones térmicos . Durante la fisión del uranio, también se emiten dos o tres neutrones junto con la liberación de una gran cantidad de energía además de los productos de la fisión.

Por lo tanto, el proceso de dividir un núcleo pesado en dos núcleos comparativamente más livianos junto con la liberación de una gran cantidad de energía cuando se bombardea con un neutrón térmico se denomina fisión nuclear . 

La fisión nuclear de ₉₂ U ²³⁵ cuando se bombardea con un neutrón lento (conocido como neutrón térmico) se indica a continuación: 

₉₂ U ²³⁵ + ₀ n ¹ → ₅₆ Ba ¹⁴¹ + ₃₆ Kr ⁹² + 3 ₀ n ¹ + Energía 

La energía liberada por fisión de ₉₂ U ²³⁵ (un isótopo de uranio) es de unos 200 MeV. Esta fisión se representa en la siguiente figura: 

Nota: Cabe señalar que la energía nuclear producida por la fisión de 1 kg de uranio – 235 es igual a la energía producida por la quema de 25,00,000.

Contaminación por fisión nuclear

La fisión nuclear provoca problemas de contaminación más graves que los combustibles fósiles. Durante la fisión nuclear, se emite radiación nuclear, a saber, partículas alfa (partículas u), partículas beta (partículas B) y rayos gamma (rayos y). Esta radiación es muy dañina para los organismos vivos. La exposición prolongada y constante de los organismos vivos a estas radiaciones causa muchas enfermedades o trastornos en el cuerpo humano como: 

1. La radiación nuclear puede cambiar o dañar la estructura de las células del cuerpo humano.
2. Provocan enfermedades como el cáncer, la leucemia y la ceguera.
3. Causan trastornos genéticos en el cuerpo humano.
4. Causan esterilidad en la generación joven.

Ventajas y desventajas de la fisión nuclear

Las ventajas de utilizar la energía de fisión nuclear son:

• Una pequeña cantidad de combustible nuclear (U-235) proporciona una gran cantidad de energía por el proceso de fisión nuclear mientras que para producir una gran cantidad de calor se requiere una gran cantidad de combustible fósil. por ejemplo, 1 kg de Uranio 235 libera energía equivalente a la energía liberada por la quema de 2500000 kg de carbón.
• En una planta de energía nuclear, el combustible nuclear se inserta una vez para obtener energía durante un largo período de tiempo. Por otro lado, en una central térmica, se debe suministrar combustible fósil constantemente para obtener la energía.

Las desventajas de utilizar la energía de fisión nuclear son:

• La fisión nuclear provoca problemas de contaminación más graves que la quema de combustibles fósiles. Durante la fisión nuclear, se emite radiación que es muy dañina. Provocan enfermedades peligrosas como el cáncer, la leucemia y la esterilidad.
• El mayor problema del uso de la energía de fisión nuclear es la eliminación segura de los desechos nucleares. Los desechos nucleares continúan emitiendo radiación nuclear dañina. Su eliminación completa de los desechos nucleares es imposible, mientras que los desechos de combustibles fósiles pueden eliminarse por completo. por ejemplo, si quemamos carbón, dará lugar a cenizas que se pueden arrojar a los campos.

Fusión nuclear 

La fusión de núcleos no se produce tan fácilmente como parece. De hecho, los núcleos están cargados positivamente y, por lo tanto, se repelen cuando se acercan. Estos núcleos pueden fusionarse si se mueven a una velocidad muy alta para vencer la fuerza de repulsión entre ellos. Esto puede suceder si la temperatura es muy alta (alrededor de 10 K). A esta temperatura, el electrón del átomo de hidrógeno se separa por completo y, por lo tanto, obtenemos un núcleo desnudo (es decir, un núcleo desnudo) y un electrón libre. 

El conjunto de núcleos desnudos que se mueven a muy alta velocidad y con electrones libres se conoce como plasma . Dado que el número de núcleos desnudos (cargados positivamente) es igual al número de electrones (cargados negativamente), la carga neta en el plasma es cero. Estos núcleos desnudos de hidrógeno se mueven a una velocidad muy alta (porque la velocidad es proporcional a la temperatura) y, por lo tanto, se fusionan para formar núcleos de helio. Durante la fusión de los núcleos de hidrógeno, se libera una gran cantidad de energía. 

Por lo tanto, se dice que el proceso en el que dos o más núcleos ligeros se fusionan (o combinan) para formar un núcleo pesado junto con la liberación de energía se llama fusión nuclear . Según Hans Bethe , en la fuente de energía del Sol y otras estrellas se encuentran las reacciones termonucleares o de fusión nuclear.

Cuando el tritio ( ₁ H ³ ) se fusiona con el deuterio ( ₁ H ² ), se forman los siguientes productos: 

₁ H ³ + ₁ H ² → ₂ He ⁴ + ₀ n ¹ + 17,6 MeV

Esta fusión se muestra en la siguiente figura: 

Ventajas y desventajas de la fusión nuclear 

Las ventajas de utilizar la fusión nuclear son:

• La energía liberada en la fusión nuclear es mucho más que la energía liberada en una reacción de fisión nuclear.
• En una fusión nuclear, los núcleos de hidrógeno se fusionan para formar un núcleo de helio que es estable. El núcleo de helio no emite ningún tipo de radiación dañina. Por lo tanto, podemos deshacernos de él fácilmente. Por otro lado, los subproductos de la reacción de fisión nuclear emiten radiación dañina. Por lo tanto, la eliminación de este producto es un gran problema.

La desventaja de utilizar la fusión nuclear es que, en la etapa experimental, se ha controlado la fusión nuclear para producir electricidad. El principal problema encontrado es contener los ingredientes de la fusión nuclear a una temperatura extremadamente alta que es difícil de hacer.

Plantas de energía atómica y centros de investigación en la India 

• Centro de Investigación Atómica Bhabha en Trombay, cerca de Mumbai, este centro se estableció para llevar a cabo trabajos de investigación para utilizar la energía nuclear con fines pacíficos.
• La central nuclear de Tarapur (Maharashtra) fue la primera central nuclear establecida en la India.
• Estación de energía atómica de Rajasthan en Rana Pratap Sagar cerca de Kota.
• Estación de energía atómica de Narora en Narora en Uttar Pradesh.
• Estación de energía atómica de Madras (ahora conocida como Centro Indira Gandhi para la investigación atómica) en Kalpakkam en Tamil Nadu.

India obtiene la mayor parte del uranio de las minas de Jaduguda en Bihar. El uranio obtenido de estas minas se lleva al complejo de combustible nuclear situado en Hyderabad para su procesamiento. En este complejo, tras enriquecer el uranio se forman los elementos combustibles. Estos elementos combustibles son luego enviados a diferentes centrales nucleares.

Diferencia entre fisión nuclear y fusión nuclear

Fisión nuclear	Fusión nuclear
1. En la fisión nuclear, un núcleo pesado se divide en núcleos más ligeros.	1. En una fusión nuclear, los núcleos ligeros se combinan para formar un núcleo pesado.
2 En la fisión nuclear, se emite radiación nuclear dañina.	2. En una fusión nuclear, no se emite radiación dañina.
3. Una fisión nuclear comienza cuando un neutrón lento	3. Una fusión nuclear comienza cuando los núcleos ligeros se calientan a una temperatura extremadamente alta y bombardean el núcleo pesado (como el uranio-235).
4. La fisión nuclear es una reacción en string, es decir, se multiplica muy rápido.	4. La fusión nuclear no es una reacción en string
5. Las reacciones de fisión nuclear se pueden controlar para producir electricidad.	5. Las reacciones de fusión nuclear aún no están controladas y no pueden utilizarse para producir electricidad.
6. Las reacciones de fisión nuclear producen una gran cantidad de energía	6. Las reacciones de fusión nuclear producen mucha más energía de fisión nuclear.
7. La temperatura no juega ningún papel para iniciar una reacción de fisión nuclear	7. Se requiere una temperatura del orden de 10 K para iniciar una reacción de fusión nuclear.
8. Los subproductos de la fisión nuclear son radiactivos y emiten radiación dañina.	8. Los subproductos de la fusión nuclear no son radiactivos y, por lo tanto, no emiten radiación dañina.
9. La fisión nuclear provoca más contaminación	9. La fusión nuclear no genera contaminación.
10. En la fisión nuclear, la eliminación de desechos nucleares es un gran problema.	10. En una fusión nuclear, no existe tal problema.

Problemas de muestra

Problema 1: ¿Qué dispositivo se usa para controlar la reacción en string?

Solución:

El reactor nuclear es un dispositivo utilizado para llevar a cabo la reacción en string controlada.

Problema 2: El número de masa de tres elementos A, B y C son 2180 y 235 respectivamente. ¿Cuál de estos es adecuado para hacer una bomba de hidrógeno?

Solución:

Como se sabe, una bomba de hidrógeno se basa en una reacción de fusión nuclear. 

Entonces, el elemento A es adecuado para hacer una bomba de hidrógeno.

Problema 3: ¿Cuál es la cantidad de energía producida por las plantas de energía nuclear en la India?

Solución:

Alrededor del 3% de la energía total se produce a partir de plantas de energía nuclear en la India.

Problema 4: Si se liberan 200 MeV de energía en la fisión de un solo núcleo de ₉₂ U ²³⁵ , ¿cuánta fisión debe ocurrir por segundo para producir una potencia de 1 kW?

Solución:

Dado que,

La energía liberada por fisión es de 200 MeV o 200 × 1,6 × 10 ^-13 J, es decir, 3,2 × 10 ^-11 J.

La energía requerida por segundo es 1 kW o 1000 W o 1000 Js ^-1 es decir 10 ³ Js ^-1

Por lo tanto, 

El número de fisiones por segundo se da como:

⇒ Energía requerida por segundo / Energía liberada por fisión =10 ³ Js ^-1 / 3.2 × 10 ^-11 J

                                                                                            = 3.125 × 10 ¹³ s ^-1

Problema 5: Diferenciar en detalle entre fisión nuclear y fusión nuclear.

Solución:

La diferenciación detallada entre los dos tipos de reacciones nucleares es la siguiente:

	Fisión nuclear	Fusión nuclear
1.	En una fisión nuclear, un núcleo pesado se divide en núcleos más ligeros.	En una fusión nuclear, los núcleos ligeros se combinan para formar un núcleo pesado.
2.	Se emiten radiaciones nucleares dañinas.	No se emite radiación dañina.
3.	Una fisión nuclear comienza con un neutrón lento.	Una fusión nuclear comienza cuando los núcleos ligeros se calientan a una temperatura extremadamente alta y bombardean el núcleo pesado (como el uranio-235).
4.	La fisión nuclear es una reacción en string, es decir, se multiplica muy rápido.	La fusión nuclear no es una reacción en string.
5.	Las reacciones de fisión nuclear se pueden controlar para producir electricidad.	Las reacciones de fusión nuclear aún no están controladas y no se pueden utilizar para producir electricidad.
6.	Las reacciones de fisión nuclear producen una gran cantidad de energía.	Las reacciones de fusión nuclear producen mucha más energía que la fisión nuclear.
7.	La temperatura no juega ningún papel para iniciar la reacción de fisión nuclear.	Se requiere una temperatura del orden de 10 K para iniciar la reacción de fusión nuclear.
8.	Los subproductos de la fisión nuclear son radiactivos y emiten radiación dañina.	Los subproductos de la fusión nuclear no son radiactivos y, por lo tanto, no emiten radiación dañina.
9.	La fisión nuclear provoca más contaminación.	La fusión nuclear no genera contaminación.
10	En una fisión nuclear, la eliminación de los desechos nucleares es un gran problema.	En una fusión nuclear, no existe tal problema.