QUIMICA NUCLEAR - REACTORES Y REACCIONES NUCLEARES

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REACCIONES NUCLEARES
Tanto la división de núcleos pesados (fisión) como la unión de núcleos ligeros (fusión) son procesos exotérmicos.
FISION NUCLEAR
La primera fisión nuclear que se descubrió fue la del uranio 235. Este núcleo, al igual que los de uranio 233 y plutonio 239, se fisiona cuando incide en él un neutrón lento. Un núcleo pesado se puede dividir de muchos modos distintos.
En promedio, cada fisión de uranio 235 produce 2.4 neutrones. Si una fisión produce 2 neutrones, éstos, a su vez, pueden provocar dos fisiones. Los 4 neutrones así liberados pueden producir cuatro fisiones, y así sucesivamente. 
El número de fisiones y la energía liberada crecen rápidamente, y si el proceso no se controla, el resultado es una violenta explosión. Las reacciones que se multiplican de este modo se llaman reacciones en cadena. 
· El CO2 se marca con carbono-14 como se mencionó. Los dispositivos de detección, como los contadores de centelleo siguen al carbono-14 al transformarse desde el CO2 a través de varios compuestos intermedios hasta la glucosa. 
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Para que se lleve a cabo una reacción de fisión en cadena, la muestra de material fisionable debe tener cierta masa mínima. De lo contrario, los neutrones escapan de la muestra antes de tener la oportunidad de golpear otros núcleos y provocar más fisiones. La cadena se detiene si se pierden suficientes neutrones.
La cantidad de material fisionable lo suficientemente grande para mantener una reacción en cadena con una velocidad de fisión constante es la masa crítica. Cuando está presente una masa crítica del material, un neutrón de cada fisión, en promedio, sirve ulteriormente para producir otra fisión. La masa crítica del uranio 235 es de alrededor de 1 kg. Si está presente más de una masa crítica de material fisionable, son muy pocos los neutrones que escapan. En consecuencia, la reacción en cadena multiplica el número de fisiones y puede desembocar en una explosión nuclear. Una masa que excede la masa crítica recibe el nombre de masa supercrítica.
Si esta misma reacción, se usa de manera controlada, en un reactor, se puede utilizar y se utiliza en la producción de energía eléctrica.
REACTORES NUCLEARES
La energía que las centrales nucleoeléctricas generan es producto de la fisión nuclear. El “combustible” del reactor nuclear es una sustancia fisionable, como el uranio 235. Típicamente, el uranio se enriquece hasta alrededor de 3% de uranio 235 y después se usa en forma de pastillas de UO2. Estas pastillas de uranio enriquecido se encierran en tubos de circonio o de acero inoxidable. Unas barras compuestas de materiales como cadmio o boro regulan el proceso de fisión absorbiendo neutrones. Estas barras de control regulan el flujo de neutrones de modo que la reacción nuclear sea autosuficiente, y al mismo tiempo impiden que el núcleo del reactor se sobrecaliente.
El reactor se pone en marcha mediante una fuente emisora de neutrones, y se controla la velocidad de reacción insertando las barras de control a mayor profundidad en el núcleo del reactor, donde se lleva a cabo la fisión
El núcleo del reactor contiene además un moderador, cuya función es retardar la velocidad de los neutrones para que el combustible los capture con más facilidad. Un líquido de enfriamiento circula a través del núcleo del reactor para absorber el calor generado por la fisión nuclear. El líquido de enfriamiento también puede servir como moderador de los neutrones.
Se utiliza vapor de agua para impulsar una turbina conectada a un generador eléctrico. Es preciso condensar el vapor; por consiguiente, se necesita más agua de enfriamiento, la cual se obtiene, por lo general, de una fuente grande como un río o un lago.
El refrigerante primario, que pasa a través del corazón del reactor, está en un sistema cerrado. Los otros refrigerantes nunca atraviesan el núcleo del reactor. Esto reduce la posibilidad de un posible escape de productos radiactivos del corazón del reactor. Además, el reactor está rodeado de una armadura (“chaqueta”) de concreto para proteger al personal y a los residentes de los alrededores contra la radiación, y también al reactor contra fuerzas externas. 
Los productos de fisión se acumulan durante el funcionamiento del reactor. Estos productos reducen la eficiencia del reactor porque capturan neutrones. Es necesario parar el reactor periódicamente para reponer o reprocesar el combustible nuclear.
Cuando se extraen del reactor las barras de combustible, inicialmente son muy radiactivas. La intención original era guardarlas durante varios meses en estanques anexos al reactor para permitir la desintegración de los núcleos radiactivos de vida corta. Después serían transportados en recipientes blindados a instalaciones reprocesadoras donde se separaría el combustible de los productos de fisión. Sin embargo, las instalaciones reprocesadoras se han visto plagadas de dificultades técnicas, y existe una intensa oposición al transporte de residuos nucleares por carretera. Aun si las dificultades de transporte se pudiesen resolver, el elevado nivel de radiactividad del combustible agotado convierte el reprocesamiento en una actividad peligrosa. Por ahora, las barras de combustible agotado simplemente se están almacenando en los terrenos del reactor. El almacenamiento plantea un problema de gran magnitud porque los productos de fisión son extremadamente radiactivos.
FUSION NUCLEAR
Recuérdese que se produce energía cuando se fusionan núcleos ligeros para formar otros más pesados. A reacciones de este tipo se debe la energía que genera el Sol. La fusión nuclear se diferencia de la fisión nuclear porque va de átomos pequeños a producir átomos más grandes.
La fusión resulta atractiva como fuente de energía debido a la disponibilidad de isótopos ligeros y porque, en general, los productos de fusión no son radiactivos. Pese a lo anterior, actualmente no se utiliza la fusión para generar energía. El problema radica en que se necesita aplicar energías muy grandes para vencer la repulsión entre los núcleos. Estas energías se logran por medio de temperaturas elevadas. Es por ello que a las reacciones de fusión también se les conoce como reacciones termonucleares. Esta reacción requiere una temperatura de alrededor de 40,000,000 K.
Estas temperaturas tan elevadas se han alcanzado utilizando una bomba atómica para iniciar el proceso de fusión. Esto se hace en la bomba termonuclear, o de hidrógeno. Este método, sin embargo, resulta inaceptable para la generación regulada de energía. Es necesario resolver numerosos problemas para hacer de la fusión una fuente práctica de energía. Además de las altas temperaturas necesarias para iniciar la reacción, se tiene el problema de confinar ésta. Ningún material estructural conocido es capaz de soportar las altísimas temperaturas que la fusión exige. Las investigaciones se han concentrado en el uso de un aparato llamado tokamak, que utiliza potentes campos magnéticos para confinar y calentar la reacción.