La fisión y la fusión nuclear son dos procesos antagónicos que, sin embargo, tienen algo en común: ambos liberan grandes cantidades de energía susceptible de ser utilizable.

Fisión nuclear

Ésta es la reacción más importante ya que las centrales nucleares actuales basan su funcionamiento en este tipo de reacciones.

Las reacciones de fisión nuclear consisten en la división del núcleo (que posee más del 99’9% de la masa total del átomo) de un átomo de alto peso atómico (por ejemplo uranio-235, que es el más habitual que se usa en las centrales nucleares convencionales) en otros más ligeros (llamados productos de fisión), por medio de bombardeo con partículas, por ejemplo con neutrones, liberando en el proceso una enorme cantidad de energía y dos o tres neutrones más. Estos neutrones a su vez pueden dividir otros átomos y generar una reacción en cadena.

Cuando este proceso de fisión nuclear está controlado y la energía es liberada lentamente en un reactor nuclear, puede transformarse en energía eléctrica.

Los isótopos que tienen esa capacidad de fisionarse como por ejemplo el uranio-235 (U-235), el plutonio-239 (Pu-239) y el plutonio-241 (Pu-241), de uso común en reactores nucleares .

Tal y como inicialmente postuló Einstein en su famosa ecuación E=mc² (Energía igual a masa por la velocidad de la luz al cuadrado), existe una equivalencia entre la energía y la masa. Así, el núcleo pesado inicial (material fisible) tiene una masa superior a la suma de los dos núcleos en los que se divide y, por tanto, según la mentada ecuación, la diferencia de masa se transforma en energía. En la figura 8 se puede observar un ejemplo de fisión de un átomo de Uranio-235.

Reacción en cadena

Si en las inmediaciones del núcleo que ha fisionado hay otros núcleos susceptibles de ser fisionados, éstos pueden absorber los neutrones emitidos por la fisión del primer núcleo, y a su vez emitirán nuevos neutrones que serán absorbidos por otros núcleos del material fisible y así sucesivamente como se puede observar en la figura 9, teniendo lugar una reacción en cadena, que es la clave para el funcionamiento de las centrales nucleares.

En un reactor nuclear, la reacción en cadena debe ser autosostenida durante mucho tiempo, todo lo que dura el ciclo de operación entre las recargas de combustible (normalmente entre uno y dos años según el diseño del reactor). Por eso es una fuente continua de energía térmica, gracias a la ingente cantidad de fisiones nucleares que se producen a lo largo de ese periodo.

Los productos de la fisión tienen una energía cinética alta, lo que se traduce en una temperatura elevada. La clave para controlar una reacción en cadena es tener bajo control el número y la energía de neutrones presentes en el reactor nuclear. Así, se debe ser capaz de capturar dos de los tres neutrones que aparecen como promedio en dichas reacciones.

Esto es posible gracias a que hay elementos que absorben neutrones de forma muy eficiente sin que produzcan reacciones nucleares que emitan tales partículas como contrapartida.

Neutrones térmicos y neutrones rápidos

A nivel atómico, la energía la medimos en una unidad llamada electronvoltio (eV). La energía de los neutrones que se generan en la reacción de fisión es de entre 1 y 20 MeV (entre 1 y 20 millones de electronvoltios), por eso se llaman neutrones rápidos, por su alta energía. Sin embargo la energía del neutrón que con más probabilidad fisiona en los reactores convencionales (donde mayoritariamente se fisiona Uranio-235) es de apenas 0,025 eV. Por tanto, es necesario reducir la energía de estos neutrones. Para conseguir reducir la energía hasta esos valores (8 órdenes de magnitud menor), se utiliza un moderador, que puede ser agua o grafito. Mediante choques entre los átomos del moderador y los neutrones se reduce la energía de éstos últimos. A este proceso se le llama termalización o moderación de los neutrones.

Los reactores pueden operar con espectro térmico o espectro rápido.

Los reactores que operan con espectro térmico, que son la gran mayoría de los reactores nucleares actuales, usan agua como refrigerante y moderador y cuentan con la seguridad intrínseca de que la reacción en cadena se detendrá si falta el agua en el reactor, ya que es el intermediario para reducir la energía del neutrón tal cual se genera en la fisión hasta la energía adecuada para que se produzcan las sucesivas fisiones en el uranio-235.

También están los reactores de espectro rápido, que usan los neutrones rápidos y que permiten mejorar el rendimiento del combustible nuclear posibilitando también el uso de otros combustibles distintos al uranio enriquecido en uranio-235.

Las centrales nucleares que se van a estudiar en este curso operan todas con espectro térmico, usando agua como refrigerante y moderador.

Calor residual

En los reactores de fisión, los productos que se forman en este entorno (no son todos consecuencia de fisiones) son muy variados. Entre los muchos elementos producidos, encontramos los transuránidos, que son elementos más pesados que el uranio, generados al absorber éste neutrones y son altamente radiactivos durante muchos años desintegrándose lentamente y liberando energía.

Así, en un reactor nuclear cuando se ha detenido la reacción en cadena el combustible sigue produciendo calor durante muchos años debido a la desintegración del material radiactivo que ha ido generándose. Este calor es el calor residual, y por ello es necesario que el reactor sea refrigerado continuamente, incluso cuando está parado. El calor residual decrece de forma aproximadamente exponencial, tal y como decrece la actividad de los isótopos radiactivos que lo producen. Es decir, el combustible, después de terminar las reacciones de fisión, produce mucho calor a corto plazo, reduciéndose enormemente a largo plazo. Normalmente, el combustible gastado del reactor debe pasar al menos cinco años en una piscina refrigerándose antes de poder ser almacenado en contenedores, debido a ese alto calor residual.

La refrigeración del calor residual es una de las cuestiones que tiene que mantener bajo control una central nuclear. Como veremos, el calor residual tuvo una importancia crucial en el desarrollo del accidente de Fukushima.

Fusión nuclear

Las reacciones de fusión nuclear son inversas a las de fisión. La fusión nuclear es un proceso mediante el cual dos núcleos atómicos ligeros se unen para formar un núcleo más pesado, con la particularidad de que su masa es inferior a la suma de las masas de los dos núcleos iniciales. Es decir, el núcleo final es más estable que los núcleos iniciales. Si el núcleo final tiene menos masa que los dos núcleos iniciales, ese defecto de masa, tal y como hemos comentado antes, se ha transforma en energía que es liberada.

La reacción de fusión más fácil de conseguir en la tierra, es aquella en la que interaccionan los núcleos de dos isótopos del hidrógeno (el deuterio H₂ y el tritio H₃) dando lugar a un núcleo de helio y un neutrón, además de energía. El deuterio existe en la naturaleza en una proporción muy baja y el tritio se crea de forma artificial en laboratorio.

Para que este tipo de reacciones tenga lugar se necesita un enorme aporte de energía que finalmente permita que los núcleos ligeros venzan la fuerza de repulsión que existe entre ellos (ambos están cargados positivamente). Debido a las altas temperaturas que se alcanzan en este proceso, los átomos se desprenden de los electrones y la materia pasa a un estado especial, denominado plasma, una especie de gas compuesto de electrones e iones. Debido a las elevadísimas temperaturas que alcanza, que no existe ningún material conocido que las resista, el plasma no puede ser confinado de ninguna manera excepto por medio de enormes campos magnéticos o mediante potentísimos rayos láser que permiten el confinamiento.

Actualmente existen varias líneas de investigación para poder conseguir, en el futuro, un reactor de fusión nuclear para la generación de energía eléctrica.