Así funciona la energía nuclear: ¿Qué es una bomba nuclear y por qué causa tanta devastación?

La amenaza nuclear mundial se ha incrementado en los últimos días tras la afirmación de que Corea del Norte está construyendo armas nucleares y la amenaza del presidente Donald Trump contra el peligroso líder del país. La energía nuclear tiene el potencial de resolver las necesidades de energía del planeta, pero también causa una devastación generalizada.

Google recientemente se asoció con expertos en fusión nuclear para desarrollar un algoritmo para resolver problemas complejos de energía.

Explosiones nucleares en la historia

Trabajando con Tri Alpha Energy, que se autodenomina “la compañía privada de fusión más grande del mundo”, y su gigante máquina de plasma ionizado C2-U, Google construyó un algoritmo diseñado para acelerar los experimentos en física de plasma. El objetivo final de Tri Alpha Energy es construir la primera planta de energía comercial basada en la fusión y cuanto más rápido puedan completar los experimentos, más rápido y más barato podrán lograr este objetivo y mover al mundo hacia una fuente de energía más sostenible y limpia.

Con el fin de llevar a cabo experimentos de este tipo, el plasma – bolas de gas ultracaliente – debe ser “confinado” por largos períodos de tiempo. Tri Alpha Energy limita estos plasmas usando un método llamado “field-reversed configuration (FRC)” que se prevé que se estabilice a medida que la energía aumenta, en contraste con otros métodos donde los plasmas se vuelven más difíciles de controlar cuando los calientan.

El C-2U de Tri Alpha Energy empuja estos experimentos hasta el límite de la cantidad de energía eléctrica que se puede aplicar para generar y confinar el plasma en un espacio tan pequeño durante un tiempo tan corto. La optimización de su configuración (la máquina tiene más de 1.000 botones) y la gestión del comportamiento del plasma es un problema complejo y aquí es donde entra en juego el algoritmo de optometrista de Google.

Como explica Ted Baltz, ingeniero de software del personal de Google, la máquina C-2U ejecuta un “disparo” de plasma cada ocho minutos y cada ejecución implica crear dos bloques giratorios de plasma dentro del vacío de C-2U. Estas gotas se rompen a más de 600.000 millas por hora para crear una bola más grande, más caliente, girando el plasma.

La bola de plasma se golpea entonces continuamente con haces de partículas hechos de átomos de hidrógeno neutros para mantenerlo girando. Los campos magnéticos mantienen la bola giratoria durante 10 milisegundos. El algoritmo de Google toma todos los parámetros del número de ajustes a la calidad del vacío y la estabilidad de los electrones para presentar soluciones a los físicos humanos.

 

¿Qué es la energía nuclear?

Mientras que la energía nuclear tiene el potencial de proporcionar a los seres humanos con energía casi ilimitada, la física detrás de la energía nuclear implica interacciones entre algunas de las partículas más pequeñas imaginables. En el centro de cada átomo del universo se encuentra una pequeña colección de protones y neutrones llamada núcleo. El número de protones y neutrones en el núcleo determina qué elemento es el átomo, y el núcleo constituye la mayoría de la masa de ese átomo.

Dentro del núcleo, los protones y los neutrones están unidos por una de las cuatro fuerzas fundamentales de la física llamadas fuerza fuerte. Como su nombre indica, la fuerza fuerte es la más fuerte de las cuatro, pero sólo funciona en pequeñas distancias, como las que se encuentran dentro de un núcleo. Los otras son gravitacionales, electromagnéticas y débiles. Este video describe las diferencias y cómo nos impactan:

Los átomos son principalmente espacios vacíos. Si un átomo era del tamaño de un estadio de fútbol, el núcleo sería aproximadamente el tamaño de una mosca en su centro. La otra parte de un átomo es la nube de electrones que orbitan el núcleo de un átomo, pero la fuerza fuerte no se aplica a los electrones. En cambio, están limitadas por fuerzas electromagnéticas, ya que tienen una carga negativa mientras que el núcleo está cargado positivamente.

En términos generales, la física nuclear implica la fabricación o ruptura de un núcleo. Ambos son procesos a través de los cuales se pierde un poco de masa, y estos liberan enormes cantidades de energía.

¿Por qué es tan importante la energía nuclear?

Desde la década de 1950, los físicos han estado tratando de imitar el proceso que potencia al Sol controlando la fusión de átomos de hidrógeno en helio. La clave para aprovechar este poder es “confinar” bolas ultra-calientes de hidrógeno llamadas plasmas hasta que la cantidad de energía que sale de las reacciones de fusión equivale a más de lo que fue puesto. Este punto es lo que los expertos en energía llaman “breakeven” y , si se pudiera lograr, representaría un avance tecnológico y podría proporcionar una fuente ilimitada y abundante de energía de cero carbono.

Es probable que sepas la ecuación más famosa de Einstein, E = mc ^ 2. Esto indica que la cantidad de energía liberada cuando se pierde un pedacito de masa es igual a esa masa multiplicada por la velocidad de la luz al cuadrado. La velocidad de la luz es un número bastante grande.

El núcleo más pequeño de cualquier elemento se compone de un solo protón, que se encuentra en átomos de hidrógeno. El hidrógeno, junto con el helio, el litio y el berilio son los elementos más ligeros del universo, lo que significa que no se necesita mucha energía para que se formen. Estos elementos ligeros se formaron al principio del universo, cuando tenía alrededor de tres minutos y lo suficientemente fríos para que los protones y los neutrones se unieran. Esta es una de las razones por las que los plasmas de hidrógeno son vistos como la mejor fuente de extracción de energía nuclear en la Tierra.

Después de estos cuatro primeros elementos, el universo golpeó una pared. Se necesitaba más energía para los siguientes 88 elementos de la tabla periódica, con el fin de superar los protones que se repelían unos a otros con sus cargas positivas, y para que esta fusión nuclear tenga que entrar en juego.

 

Entonces, ¿qué es la fusión nuclear?

Casi todo alrededor de nosotros fue creado dentro de una estrella. Las estrellas comienzan con hidrógeno, que se juntan para formar helio. Este proceso continúa, liberando energía y calentando la estrella.

Es esta reacción, usando el hidrógeno como combustible, que científicos y equipos como los de Tri Alphr Energy están tratando de imitar para lograr el poder de fusión nuclear. Cuando los núcleos de deuterio y tritio – que se pueden encontrar en el hidrógeno – se funden, forman un núcleo de helio, un neutrón y mucha energía.

Debido a que la fusión nuclear requiere enormes cantidades de energía para obtener reacciones iniciadas, el proceso ha resultado difícil de copiar en la Tierra. Se necesita una inmensa presión y temperaturas de alrededor de 150 millones de grados para conseguir que los átomos se combinen en un reactor de fusión.

Cuando una estrella del tamaño del núcleo de nuestro sol se queda sin hidrógeno (su fuente de combustible) comienza a morir. La estrella moribunda se expande en un gigante rojo y comienza a producir átomos de carbono mediante la fusión de átomos de helio. Las estrellas más grandes pueden crear elementos más pesados, desde el oxígeno hasta el hierro. Cualquier cosa más pesada que el hierro se crea en una supernova, la explosión gigante al final de la vida de una estrella masiva.

¿Cómo se relaciona la fusión nuclear con la fisión nuclear?

La energía nuclear, como la conocemos en la Tierra, usa una reacción nuclear diferente, llamada fisión.

Cuando los elementos comienzan a expandirse, como uranio o plutonio, con más protones y neutrones empacados dentro del núcleo, es posible descomponerlos en elementos más pequeños golpeándolos con neutrones. Esto también resulta en un cambio en la masa, liberando enormes cantidades de energía.

El problema radica en los llamados “productos posteriores” de las reacciones. Estas sustancias son altamente radiactivas, lo que las hace increíblemente peligrosas y este es el inconveniente más importante para la energía nuclear.

Los desechos radiactivos tienen que ser manejados con mucho cuidado y la mejor manera que tenemos actualmente de deshacernos de ellos es enterrarlos profundamente bajo tierra. Pero hace que los reactores nucleares sean lugares peligrosos y los desastres en los que se han filtrado los desechos radiactivos han causado graves consecuencias, como el desastre de Chernobyl en 1986 y Fukushima.

¿Cómo funcionan las bombas nucleares?

Bomba atómica Liitle Boy

Estados Unidos fue el primer país en desarrollar armas nucleares, seguido por Rusia en 1949. A partir de 2016, se estima que Estados Unidos tiene alrededor de 7.000 cabezas nucleares, incluyendo armas retiradas, almacenadas y desplegadas. Rusia tiene cerca de 7.300 cabezas nucleares, Francia tiene alrededor de 300 y el Reino Unido tiene 215. Corea del Norte, vista como una de las amenazas nucleares más importantes de los tiempos modernos, tiene un número desconocido de dispositivos, aunque las estimaciones ponen el número en alrededor de 10 .

Todas las armas nucleares utilizan la fisión para generar sus devastadoras explosiones. Las primeras armas, incluido el Little Boy lanzado en Hiroshima durante la Segunda Guerra Mundial, crearon la masa crítica necesaria para iniciar una reacción en cadena de fisión disparando un cilindro hueco de uranio-235 en un blanco fabricado con el mismo material.

Esta técnica ha avanzado en los últimos años y, en las armas modernas, la masa crítica depende de la densidad del material. Estas armas detonan explosivos químicos alrededor de un “pozo” de uranio-235 o plutonio-239 metal. Estos isótopos son los elementos más comunes capaces de pasar por la fisión. El uranio y el plutonio se encuentran naturalmente en depósitos minerales, aunque en pequeñas cantidades (menos del 1% en el caso del uranio e incluso menos en el plutonio), lo que significa que deben ser “fabricados”. Este es un proceso costoso y que consume mucho tiempo y es la principal barrera para construir bombas nucleares más libremente.

En las explosiones nucleares modernas la explosión sopla hacia adentro, forzando a los átomos en el “pozo” juntos. Una vez alcanzada la masa crítica, se utilizan neutrones para crear una reacción en cadena de fisión que, a su vez, crea la explosión atómica. Las armas de fusión termonuclear utilizan la energía de la explosión de fisión para forzar los isótopos de hidrógeno juntos, creando una bola de fuego que se aproxima a temperaturas tan altas como el sol.

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