Historia De La Fision Nuclear

MEMORIA DE LA CIENCIA

Descubrimiento de la fisión nuclear y la generación de energía Eduardo Felizia Autoridad Regulatoria Nuclear

La máquina de vapor, que jugó un papel central durante el desarrollo de la revolución industrial, fue inventada por el escocés James Watt (1736-1819) en el año 1764, pero la comprensión de los principios termodinámicos en los que se basa su funcionamiento se produjo alrededor de setenta años más tarde.

n efecto, el francés Nicolas Leonard Sadi-Carnot (1796-1832) publicó en 1824 su tratado Refle xiones sobre la potencia motriz del fuego, en el que intentó explicar el funcionamiento de las máquinas térmicas sobre la base de la teoría del calórico (los términos resaltados en itálicas están incluidos en un glosario hacia el final del artículo). Poco después, en los primeros años de la década de 1840, varios autores enunciaron simultáneamente la relación entre el calor y el trabajo mecánico (primer principio de la termodinámica), entr e los cuales se destacan James Joule, Julius Robert Mayer, Ludwig Colding y Hermann von Helmholtz. Este principio es la clave esencial para comprender la forma en que la máquina de vapor extrae potencia motriz del fuego y, sin embargo, no fue necesario para su invención. El descubrimiento de la fisión nuclear y el posterior desarrollo de sus aplicaciones –tanto bélicas como pacíficas– fueron, en contraste con el caso de la máquina de vapor, la culminación de una se-

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rie de hallazgos científicos en el campo experimental y en el teórico, distribuidos en un período de más de cincuenta años. El primero de la serie que se menciona es el descubrimiento de los rayos X en el año 1895, en circunstancias en las que el científico alemán Wilhelm Conrad Roentgen (1845-1923, premio Nobel de Física en 1901) se hallaba realizando una investigación sobre rayos ca tódicos, la que debió interrumpir al advertir que una pantalla de platino-cianuro de bario, ubicada a cierta distancia del tubo, resplandecía cuando en este se producía la descarga. Investigaciones posteriores convencieron al físico de que dicho resplandor se debía a una forma de radiación desconocida que provenía del tubo, que se propagaba en línea recta y que no era desviada por imanes. Había descubierto los rayos X, una radiación elec tromagnética de la misma naturaleza que la luz, aunque invisible al ojo humano por su longitud de onda. Sus inmediatas e innumerables aplicaciones, principalmente en el campo de la medicina, sirvieron, entre otras cosas, para anticipar el conocimiento de los efectos biológicos de las radiacio nes ionizantes. Un año después, motivado por el descubrimiento de los rayos X, el francés Henri Antoine Becquerel (1852-1908, premio Nobel de Física en 1903) comenzó a investigar la posible analogía entre esta radiación y la luminiscencia de ciertas sustancias; quería comprobar si estas, adecuadamente estimuladas, emitirían también rayos X. Para ello, preparó un conjunto formado por una lámina recubierta con una capa de sales de uranio y una placa fotográfica adosada a su cara inferior, ambas envueltas en papel oscuro; luego, expuso el conjunto a la luz del sol. El propósito del papel oscuro era impedir el paso de la luz visible y permi-

James Watt

Nicolas Leonard Sadi-Carnot

James Joule

tir solo el de rayos penetrantes que pudieran estimular la luminiscencia del uranio. Al cabo de algunas horas de exposición, la placa quedó impresionada. Becquerel repitió el experimento utilizando sales de uranio que no habían sido expuestas a la radiación solar, obteniendo siempre el mismo resultado. Incluso, al utilizar nitrato de uranilo en disolución, sustancia que no es luminiscente, observó el mismo efecto que con las sales de uranio. Fue así que formuló la hipótesis de que el uranio emite una radiación muy intensa capaz de impresionar una placa fotográfica en la misma forma en que lo hacen los rayos X. Había descubierto la ra diactividad natural. Trabajos posteriores revelaron que los materiales radiactivos emiten tres tipos de radiación: los rayos α (alfa), con carga eléctrica positiva (en realidad núcleos de helio con dos protones y dos neutrones); los rayos β (beta) con carga eléctrica negativa (electrones) y los rayos γ (gamma), radiación electromagnética muy penetrante y de alta energía. Actualmente, para medir la actividad de sustancias radiactivas se utiliza una unidad denominada becquerel (Bq) en honor al físico francés; un Bq equivale a una desintegración por segundo de cualquier radionucleido. Becquerel, al igual que los esposos Curie (Marie –Marja Sklodowska–, francesa de origen polaco, 1867-1934, y Pierre, francés, 1859-1906, premios Nobel de Física en 1911 y 1903, respectivamente), fue uno de los primeros en sufrir una radiodermitis aguda, provocada por una preparación de radio que había llevado consigo durante un par de horas en el bolsillo de su chaqueta. La teoría de la relatividad, desarrollada por el físico alemán Albert Einstein (1879-1955, premio Nobel de Física en 1921), consta –en realidad– de dos partes: la Teoría Especial y la Teoría General, enunciadas en 1905 y 1916, respectivamente. La primera de ellas trata sobre la cinemática y la dinámica relativista en general y no hace referencia a ningún sistema físico especial como el átomo o las partículas subatómicas. Sin embargo, de la di-

Julius Robert Mayer

Hermann von Helmholtz

Wilhelm Conrad Roentgen

námica relativista surge una ecuación cuyo significado y alcance ni el mismo Einstein pudo evaluar en principio. La ecuación a que se hace referencia es la muy conocida expresión E = Mc2, donde E representa a la energía, M a la masa del cuerpo y c a la velocidad de la luz en el vacío. Esta fórmula establece una relación entre masa y energía que se ha verificado en todos los dominios de la física y que, particularmente, explica el origen de la enorme cantidad de energía que liberan las reacciones de fisión nuclear. Es por esta razón que la mencionamos en esta breve reseña de los descubrimientos científicos más relevantes que contribuyeron al desarrollo de la energía atómica. Hacia el año 1910 había ya suficientes evidencias experimentales de que los átomos, lejos de ser entidades indivisibles como lo había postulado el inglés John Dalton (1766-1844), estaban formados por partículas. Otro inglés, Joseph John Thomson (Sir) (1856-1940, premio Nobel de Física en 1906) había refinado un modelo de átomo propuesto originalmente por Lord Kelvin según el cual el átomo estaría compuesto por una esfera de electrificación positiva en el cual los electrones (partículas con carga eléctrica negativa) estarían distribuidos homogéneamente, a semejanza de las ciruelas en un pastel; este modelo pasó a llamarse justamente ‘pastel de ciruelas’ (plum pudding). Sin embargo, en 1911, el británico Ernest Rutherford (1871-1937, premio Nobel de Química en 1908) realizó un experimento que, por una parte demostró que el esquema de Thomson era inadecuado y, por otra, le proveyó los elementos para formular un modelo alternativo. El experimento consistió en bombardear láminas metálicas delgadas con partículas alfa y analizar los ángulos de dispersión de dichas partículas; al atravesar la lámina, cada partícula alfa experimenta una serie de deflexiones debidas a las fuerzas electrostáticas atractivas y repulsivas, ejercidas respectivamente por los electrones y protones que componen los átomos del material de la lámiVO L UMEN 1 3 N º 7 3 (F E BRE RO -MA RZ O , 2 00 3 )

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Henri Antoine Becquerel

Marie Curie

Pierre Curie

Albert Einstein

na. Por lo tanto, el haz de partículas alfa emerge como un haz divergente y, mediante un detector, resulta posible medir el número de partículas dispersadas en cada una de las direcciones. Según el modelo del ‘pastel de ciruelas’, las cargas positivas (protones) deberían estar distribuidas uniformemente en todo el volumen del átomo; en este caso, la teoría estadística predice una ley de distribución angular de las partículas perfectamente definida. Sin embargo, el experimento reveló que una fracción inesperada del número de partículas incidentes se dispersaba en ángulos muy grandes, incluso retrocediendo, como si hubieran experimentado una única y enérgica repulsión por una carga positiva grande y puntual. Este resultado, incompatible con el modelo de Thomson, indujo a Rutherford a pensar que el átomo debía ser un espacio vacío, salvo en su región central, donde se concentraban todas las cargas positivas; a esta región se la denominó núcleo del átomo. Rutherford completó su modelo atómico imaginando que los electrones ‘giraban’, en órbitas, alrededor del núcleo, a semejanza de los planetas alrededor del Sol. Esta imagen del átomo se popularizó de inmediato y persiste aún hoy, a pesar de haber sido superada por concepciones más evolucionadas, pues se la ha consagrado como el emblema representativo de todo aquello que tiene alguna relación con el átomo. Rutherford, que era hijo de un granjero neozelandés, además de recibir el premio Nobel de Química, fue distinguido con el título de Sir y, después, honrado con el de Lord Rutherford de Nelson, en mérito a sus descubrimientos científicos. Durante los veinte años que siguieron al experimento de Rutherford, la física experimentó avances espectaculares en casi todos sus dominios y surgieron nuevas y revolucionarias interpretaciones tales como las de la mecánica cuántica y la mecánica ondulatoria. No obstante, hacia el año 1930, aún se desconocía la verdadera composición del núcleo del átomo. En ese año, dos físicos

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CIENCIA HOY

John Dalton

Joseph John Thompson

alemanes observaron una radiación penetrante, resultante del bombardeo de placas de berilio con partículas alfa. Dos años después el británico James Chadwick (1891-1974, premio Nobel de Física en 1935), quien a la sazón trabajaba en el laboratorio Cavendish en Inglaterra, descubrió que dicha radiación era capaz de intercambiar energía cinética con elementos livianos, entre ellos con el hidrógeno. Considerando estas experiencias, Chadwick propuso que dicha radiación debía ser de naturaleza corpuscular, que la masa de las partículas era del mismo orden que la del protón (hidrógeno) y que el intercambio de energía se realizaba mediante colisiones elásticas, como si fueran bolas de billar chocando entre sí. La facilidad con que estas partículas penetran la materia lo indujo a pensar que debían ser neutras, pues, de lo contrario, serían atraídas o repelidas por las cargas eléctricas del átomo. Fue por esta razón que las designó con el nombre de neutrones. El descubrimiento del neutrón impuso una revisión profunda de las concepciones acerca de la composición y naturaleza del núcleo del átomo. El nuevo modelo que se formuló expresa que el núcleo está constituido solamente por protones y neutrones, a los que se denomina genéricamente nucleones. Por otra parte, la equivalencia relativista entre masa y energía permite calcular la energía almacenada en el núcleo; es decir, la necesaria para mantener a los nucleones unidos entre sí. Esa energía resulta ser del orden de los 8MeV por nucleón. Muchos se preguntaron si sería posible separar del núcleo a los protones y neutrones que lo constituían y liberar, así, toda esa energía; entre ellos el húngaro Leo Szilard (1898-1964), quien llegó a Inglaterra en 1933 como refugiado político. Fue allí que concibió una reacción por la que un núcleo captura a una partícula y se transforma en emisor radiactivo capaz de expulsar dos o más partículas; estas, a su vez, son capturadas por otros núcleos y así sucesivamente. De esta manera, resulta posible imaginar una reacción en cade-

na destinada a liberar la energía almacenada en el núcleo. A pesar de su originalidad, la idea de Szilard no suscitó el interés de la comunidad científica de su tiempo. En 1934, los esposos Joliot-Curie (Iréne Curie (1897-1956), hija de Pierre y Marie Curie, y Frédéric Joliot (1900-1958), ambos ganadores del premio Nobel de Química en 1935) descubrieron la radiactividad artificial y demostraron que era posible producir isótopos radiactivos artificiales mediante irradiación con neutrones. Por la misma época, el físico italiano Enrico Fermi (1901-1956, premio Nobel de Física en 1938) y un grupo de colaboradores en Roma habían estado bombardeando con neutrones una larga serie de elementos; al irradiar uranio, realizaron un descubrimiento importante, esencial para la tecnología de los futuros reactores nucleares: comprobaron que el rendimiento de las reacciones aumenta enormemente al emplear neutrones de baja energía, o sea neutrones moderados. Asimismo, con estos experimentos, creyeron haber producido elementos más pesados que el uranio, a los que denominaron ‘transuránicos’. Años después se demostró que, en realidad, lo que habían logrado era fisionar el uranio. Algunos químicos expresaron sus dudas sobre los resultados del grupo de Fermi, entre ellos Ida Tacke Noddack (1876-1979), quien señaló que, para asegurar que se había obtenido el elemento transuránico de número atómico Z = 93, se debía realizar un análisis químico sistemático que permitiera descartar a todos los elementos conocidos. Luego, agregó la siguiente frase que, pese a su singular contenido profético, pasó por aquel entonces inadvertida: ‘Es posible imaginar que, irradiando con neu trones los núcleos más pesados, estos se desinte gren en fragmentos más livianos; estos fragmen tos podrían ser isótopos de elementos conocidos pero no vecinos del elemento irradiado.’

Ernest Rutherford

James Chadwick

Corría el año 1938 y los acontecimientos se precipitaban en una Europa en vísperas de la segunda guerra mundial. En Berlín, los alemanes Otto Hahn (1879-1968, premio Nobel de Química en 1944) y Fritz Strassmann (1902-1980), y la austríaca Lise Meitner (1878-1968) continuaban bombardeando uranio con neutrones y trataban de determinar, aplicando todas las técnicas químicas conocidas, si habían obtenido un nuevo elemento o no. La persecución racial recrudeció obligando a la Meitner, de origen judío, a refugiarse en Suecia. Fermi, por su parte, se había visto forzado a emigrar a Estados Unidos para salvaguardar a su esposa Laura, también de origen judío. En diciembre de 1938, Hahn y Strassmann publicaron un trabajo en el que demostraron que, cuando se bombardea uranio con neutrones moderados, este se transforma en bario, cuya masa nuclear alcanza a solo la mitad de la del uranio. ‘Los núcleos de uranio se desintegran’, tal era la sorprendente hipótesis de los investigadores alemanes. Hahn, desconcertado por los resultados de estas experiencias, informó los detalles a Meitner, quien estudió el problema y, basándose en la idea del danés Niels Henrik Bohr (1885-1962, premio Nobel de Física en 1922) de que los núcleos atómicos se comportan como un modelo de gota líquida, logró resolverlo en unos pocos días. Dadas las intensas fuerzas de repulsión eléctrica existentes en el núcleo de uranio, este, como gota líquida, se encuentra en el límite de la estabilidad y basta con la entrada de un solo neutrón para que se fraccione en dos gotas –dos núcleos– más pequeños. La masa combinada de los dos núcleos resultantes deber ser menor que la del neutrón y la del núcleo de uranio original sumadas; por ende, al producirse la reacción, la diferencia de masa tiene que manifestarse como energía, según la relación relativista existente entre masa y energía. Meitner designó a esta reacción con el nombre de fisión nuclear y señaló que,

Leo Szilard

Iréne Joliot-Curie

Frédéric Joliot

Enrico Fermi

VO LUME N 1 3 N º 7 3 (F E BRE RO -MA RZ O , 2 00 3 )

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Ida Tacke Noddack

Otto Hahn

Fritz Strassman

Lise Meitner

en la misma, se libera una cantidad de energía del orden de los 200MeV por fisión. El austríaco Otto Frisch (1904-1979) había informado sobre esta teoría a Bohr, quien estaba a punto de marcharse a pasar una temporada en el Instituto de Estudios Avanzados de Princeton en los Estados Unidos. Allí, Bohr difundió la sensacional noticia entre los científicos estadounidenses y, en el año 1939, la fisión nuclear era confirmada en varios laboratorios de ese país. Fermi fue uno de los primeros en comprender que, además de los fragmentos del núcleo de uranio escindido, podían aparecer algunos neutrones. En ese caso, como lo había previsto Szilard seis años antes, estos neutrones producirían otras fisiones y habría, eventualmente, una reacción en cadena con gran liberación de energía. En ese mismo año, los esposos Joliot-Curie, confirmaron experimentalmente que, en promedio, cada fisión libera entre dos y tres neutrones. Bohr había hecho notar que la fisión con neutrones moderados solo es posible en el isótopo uranio-235 (0,7% en peso del uranio natural), mientras que el uranio-238 –la otra variedad isotópica que compone el uranio natural (99,3% en peso)– no contribuye a las reacciones de fisión debido a que el neutrón incidente no aporta suficiente energía como para vencer al potencial de fisión. Esto parecía frustrar las esperanzas de lograr reacciones en cadena. Sin embargo, Szilard seguía firmemente convencido de que el proceso era posible. El primer problema radicaba en reducir la energía de los neutrones liberados en la fisión, expulsados a velocidades del orden de los 10.000km/s. Para ello era necesario moderarlos hasta los niveles de energía correspondientes al equilibrio termodinámico con las partículas del ambiente (velocidades entre dos y tres km/s). Szilard pensó que una sustancia moderadora adecuada sería el grafito, una variedad alotrópica del carbono. Con estos lineamientos, óxido de uranio y grafito como combustible nu-

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Niels Henrik Bohr

Otto Frisch

clear y moderador respectivamente, Fermi y Szilard comenzaron a elaborar proyectos de un reactor de fisión. Szilard creía que las reacciones de fisión en cadena podían ser tremendamente explosivas y temía que los científicos alemanes que habían descubierto la fisión del uranio estuvieran desarrollando armas nucleares. Junto con sus compatriotas Eugene Paul Wigner (1902-1995, premio Nobel de Física en 1973) y Edward Teller (1908), ambos exiliados en Estados Unidos, convencieron a Einstein para que advirtiera sobre tal peligro al presidente Roosevelt. Einstein escribió una histórica carta alertando al presidente sobre el riesgo de que la Alemania nazi ganara la delantera en el desarrollo de las armas nucleares y recomendando al gobierno norteamericano acelerar los trabajos sobre la energía del átomo. No obstante, la carta no produjo el efecto esperado, aunque hubo un cambio brusco de actitud a los pocos meses, al recibirse de Inglaterra un informe secreto basado en una memoria del alemán Rudolph Peierls (19071995) y el ya mencionado Otto Frisch, ambos al servicio del gobierno inglés. El informe explicaba, en unas pocas hojas, cómo separar el uranio-235 a escala industrial y cómo fabricar con él una bomba de poderes devastadores. Por primera vez, el gobierno norteamericano reconoció la importancia de la energía nuclear, destinando los fondos necesarios para acelerar los trabajos de investigación. Hacia mediados de 1940, Fermi y su equipo iniciaron los estudios para determinar qué cantidad de uranio y de grafito se requería para sustentar una reacción de fisión en cadena. Arthur Holly Compton (1892-1962), laureado con el premio Nobel en 1957, fue nombrado coordinador del proyecto norteamericano para el desarrollo de armas nucleares. Su primera decisión fue reunir a todos los equipos que trabajaban en temas relacionados con la energía nuclear, incluso el de Fermi, en la ciudad de Chicago.

El primer reactor nuclear –designado con el acrónimo CP-1 (de su nombre completo, en inglés, Chicago Pile 1)– se construyó en una cancha de ‘squash’ situada en el subsuelo de uno de los edificios de la Universidad de Chicago. La pila consistía en una estructura semejante a un esferoide, construida con ladrillos de grafito puro (340ton), óxido de uranio prensado en pequeños cilindros insertados en ranuras especialmente labradas en los ladrillos de grafito (37ton) y barras de uranio metálico distribuidas homogéneamente en el volumen de la pila (5ton). Para regular la potencia, se introducían verticalmente en la pila absorbentes de neutrones de cadmio. Fermi dirigía personalmente los trabajos, mientras que Szilard y Wigner se ocupaban de los aspectos teóricos del proyecto. Para el 2 de diciembre de 1942 la pila estaba terminada. Durante la mañana de ese día, Fermi se ocupó del ajuste de los detectores de flujo neutrónico adosados a las caras exteriores de la pila; una sola barra de control era suficiente para regular la potencia. Fermi trataba de determinar la posición exacta de esta barra, para la cual debía estabilizarse la reacción en cadena. A las 14.30, luego del almuerzo, se reiniciaron las actividades para la pues ta a crítico de la pila. Una hora después, se lograba –por primera vez en la historia– una reacción de fisión en cadena autosustentada; esta se mantuvo durante algunos minutos y luego se extinguió, al disponer Fermi la introducción en la pila de una de las barras de cadmio. El experimento había concluido con éxito; hubo un brindis entre los presentes, el personal científico y representantes del gobierno y de empresas privadas invitadas, celebrando el acontecimiento (previsoramente, Wigner había ocultado una botella de Chianti detrás de unos ladrillos de grafito apilados en el fondo del salón). Entre los invitados a presenciar la puesta a crítico de la CP-1 se encontraban directivos de la fir-

Eugene Paul Wigner

Edward Teller

ma DuPont de Nemours. Esta empresa participaba en varios proyectos gubernamentales y estaba también muy interesada en el área nuclear, a tal punto que había asumido la responsabilidad de diseñar, construir y operar las primeras pilas atómicas para la producción de plutonio, un nucleido artificial recientemente descubierto por Glen T Seaborg (1912-1999) quien ganaría el premio Nobel de Química en 1951 por este descubrimiento. Hubo un gran debate sobre la elección del refrigerante de las pilas; se pensó en utilizar helio gaseoso, agua pesada , bismuto líquido y agua común. El helio requiere grandes equipos compresores y complejos sistemas de purificación; el bismuto califica, en teoría, pero es técnicamente un material exótico y, por otra parte, no se disponía de tiempo para producir agua pesada en las cantidades necesarias. Finalmente, la elección recayó en el agua común, a pesar de las reservas de la DuPont en cuanto a potenciales problemas de corrosión y a las dificultades que se avizoraban en el desarrollo de los dispositivos de encapsulado del óxido de uranio. La adopción de agua común como refrigerante de las reacciones de fisión tuvo gran significación en el futuro desarrollo de la tecnología de los reactores nucleares norteamericanos. Se instalaron tres pilas en Handford, al noroeste de los EEUU, con potencias de entre 200 y 250 kilovatios cada una. El primer lote de material irradiado se descargó en 1944, escasamente dos años después de la puesta a crítico de la CP-1. Además de las pilas de Handford, en dicho país había otras tres instalaciones experimentales, a saber: la pila de Fermi, reinstalada en los laboratorios de Argonne, cerca de Chicago; una pila de 1000kW de potencia, moderada con grafito y refrigerada con aire, en los laboratorios de Oak Ridge, y un reactor de 300kW, refrigerado con agua pesada, también en Argonne.

Rudolph Peierls

Arthur Holly Compton

Glenn T Seaborg

John Douglas Cockcroft

VO LUME N 13 N º 73 (FE BRE RO-MA RZO , 2 003)

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¿Qué ocurría en Inglaterra mientras tanto? Luego de que Peierls y Frisch presentaran su memoria a las autoridades inglesas, se designó al comité MAUD (Military Applications of Uranium Disin tegration), desde el que se envió el ya mencionado informe al gobierno de los Estados Unidos. En el verano de 1940, dos científicos franceses, colaboradores de los Joliot-Curie en su laboratorio de París llegaron a Inglaterra huyendo de la ocupación alemana y trayendo consigo toda la existencia de agua pesada de Francia. Estos investigadores eran partidarios del uso de esta sustancia para moderar los neutrones de fisión. Esta opinión influyó en el segundo informe del comité MAUD, dado a conocer hacia fines de 1941, en el que se describe el desarrollo de una ‘caldera’ de uranio, con agua pesada como refrigerante y moderador, para la producción de energía. Ciertas desinteligencias provocaron el total fracaso de una iniciativa de cooperación angloameri-

cana. Los británicos, urgidos por los rápidos progresos de los americanos, proponen al gobierno canadiense encarar un proyecto conjunto, incluso con la participación de los franceses; la propuesta era construir una pila atómica en territorio canadiense, libre de la influencia de los Estados Unidos. El gobierno canadiense, con gran beneplácito, ofrece la ciudad de Montreal como centro de operaciones. Es así que el agua pesada emigra al Canadá en mano de los franceses. Este episodio no es trivial, pues ese país se convierte, luego, en uno de los líderes de la tecnología de reactores refrigerados y moderados con agua pesada. John Douglas Cockcroft (Sir) (1897-1967, premio Nobel de Física en 1951) –quien realizara la primera transmutación artificial en el año 1932– fue designado director del laboratorio de Montreal. Corría el año 1944 y, ahora, los norteamericanos habían decidido apoyar el proyecto anglocanadiense-francés destinado a construir una pila

Glosario Absorbente de neutrones. Material con el que reaccionan los neutrones de tal modo que desaparecen como partículas libres sin dar lugar a la producción de otros neutrones. Agua pesada. Agua cuyas moléculas están formadas por deuterio y oxígeno. El deuterio es un isótopo del hidrógeno cuyo número másico es dos; su núcleo está constituido por un protón y un neutrón. Calórico, Teoría del. Teoría que atribuía al calor las cualidades de una sustancia –el calórico– que fluye desde los cuerpos más calientes a los más fríos. Fue superada por la termodinámica en la segunda mitad del siglo XIX. Isótopos. Cada uno de los distintos nucleidos que tienen el mismo número atómico y, por lo tanto, pertenecen al mismo elemento químico, aunque difieren entre sí por su número másico. Luminiscencia. Emisión de luz por un sistema que no está en equilibrio térmico. En sentido amplio, cualquier emisión de luz no debida a una temperatura elevada. Según su origen, se distinguen: fotoluminiscencia, quimiluminiscencia, termoluminiscencia, etc. Mecánica cuántica. Teoría general de la mecánica, desarrollada a partir de la mecánica ondulatoria y de la teoría de los cuantos y que describe los fenómenos físicos a escala molecular y atómica. Mecánica ondulatoria. Primera formulación de la mecánica desarrollada a partir del postulado del físico francés Louis Victor de Broglie (1892-1987, premio Nobel de Física en 1939), según el cual a toda partícula en movimiento se le asigna una onda. MeV (Megaelectronvoltio). Un millón de electronvoltios. El electronvoltio es la energía cinética que adquiere un electrón al atravesar en el vacío una diferencia de potencial de un voltio. Modelo de la gota líquida. Modelo del núcleo atómico que describe a este como una gota en la cual los nucleones desempeñan el papel de moléculas del líquido que forma la gota. Moderador . Elemento utilizado para reducir, por dispersión, la energía cinética de los neutrones. Nucleido. Especie atómica. Se caracteriza por su número atómico y su número másico. Se lo representa simbólicamente como: A ZM donde M es el símbolo químico del elemento y A y Z sus números másico y atómico, respectivamente, o, también, con el nombre del elemento seguido de su número másico; por ejemplo: uranio-235.

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atómica experimental. Esta se denominó NRX y se emplazó en Chalk River; tenía una potencia de 20 megavatios, utilizaba agua pesada como moderador, reflector de grafito y se refrigeraba con agua común. Las actividades en el laboratorio de Montreal fueron decisivas para los tres países asociados. El éxito canadiense en reactores moderados con agua pesada se remonta a dichas actividades. Asimismo, gracias a su trabajo en este laboratorio, los científicos y los ingenieros ingleses y franceses adquirieron valiosos conocimientos y experiencia sobre física de reactores, manejo de radioi sótopos, instrumental electrónico, etc., que constituyeron, más tarde, la base de los respectivos desarrollos nacionales. ¿Qué tipo de reactor procuraron desarrollar Rusia y Alemania durante la guerra? En 1942, los rusos iniciaron proyectos de reactores experimentales moderados con grafito y agua pesada. En cuanto a los alemanes, estos habían descartado al

grafito como moderador después de conocer una serie de mediciones –luego se verificó que eran erróneas– efectuadas por uno de sus científicos laureado con el premio Nobel. La opción del agua pesada también había fracasado debido al bombardeo británico sobre la única planta de producción de agua pesada, instalada en Noruega. Finalizada la guerra, los proyectos nucleares en los países líderes –Estados Unidos, Canadá, Inglaterra y Francia– continuaron con firmeza y las distintas opciones tecnológicas para la aplicación de la fisión nuclear a la generación de energía eléctrica y a la propulsión de navíos comenzaron a diferenciarse. En Canadá, el grupo de Chalk River construyó y puso a crítico, en septiembre de 1945, el reactor ZEEP, sigla en inglés de ‘Zero Energy Experimental Pile’. Este fue el primer reactor del mundo que funcionó fuera del territorio de los Estados Unidos.

Número atómico. Para un nucleido dado, número de protones contenido en el núcleo. Se lo simboliza con la letra mayúscula Z. Número másico. Para un nucleido dado, número de nucleones que constituyen el núcleo. Se lo representa con la letra mayúscula A. Puesta a crítico. Proceso por el cual un reactor se lleva desde el estado de apagado al estado de crítico. En el reactor en estado crítico tiene lugar una reacción de fisión en cadena con un factor de multiplicación efectivo igual a la unidad. Radiación electromagnética. Radiación caracterizada por la variación de los campos eléctrico y magnético en forma de ondas. El espectro de frecuencia de estas es muy amplio, por lo que se emplean denominaciones especiales para las ondas comprendidas en los diferentes intervalos de frecuencia. Así, por ejemplo: ondas hercianas, microondas, luz visible, rayos X, etc. Radiaciones ionizantes. Nombre genérico empleado para designar las radiaciones de naturaleza corpuscular o electromagnética que, en su interacción con la materia, producen iones, ya sea directa o indirectamente. Radiactividad. Propiedad que presentan algunos nucleidos de desintegrarse espontáneamente. Radioisótopo o isótopo radiactivo. Isótopo de los elementos químicos naturales o artificiales que emite radiaciones ionizantes. Radionucleido. Nucleido radiactivo. Rayos catódicos. Haz de electrones, especialmente el que se emite por un cátodo incandescente en un tubo de vacío en el que existe un electrodo acelerador. Reactor nuclear (de fisión). Instalación en la que puede iniciarse y controlarse una reacción nuclear (de fisión) en cadena. Reactor reproductor . Reactor nuclear en el cual el número de átomos fisionables producidos es igual o mayor que el de los consumidos. Reactor reproductor rápido. Reactor reproductor en el que las fisiones se producen principalmente por neutrones rápidos. Estos reactores funcionan preferentemente según el ciclo del uranio-plutonio, si bien pueden alimentarse inicialmente con cualquier material fisionable. Uranio enriquecido. Uranio en el que el isótopo uranio-235 tiene una concentración mayor que la natural. Se obtiene, generalmente, mediante un proceso de separación isotópica, utilizando al uranio natural como material de alimentación.

V O L UM EN 1 3 Nº 73 ( FE BRE RO - MA RZ O , 2 0 0 3)

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Después de la puesta a crítico en 1947 del ya mencionado reactor NRX, se iniciaron los trabajos de diseño de un nuevo prototipo denominado NRU (Na tional Research Universal). Este reactor utilizaba uranio natural y era refrigerado y moderado con agua pesada. Además, la alimentación se efectuaba introduciendo los elementos combustibles directamente en el núcleo, con el reactor en funcionamiento, mediante una máquina de carga especial; fue el primer reactor del mundo con esta característica. Los ZEEP, NRX y NRU fueron los que proveyeron la física, la química, la metalurgia y la ingeniería para el programa canadiense de reactores de potencia tipo CANDU (Canadian Deuterium Uranium). El primer reactor de esta clase fue el NPD de 20MW eléctricos de potencia, construido en Chalk River y puesto a crítico en abril de 1962. Los científicos franceses abandonaron Montreal y regresaron a Francia, reincorporándose al laboratorio Joliot-Curie, donde muy pronto diseñaron y construyeron el ZOE (prácticamente una réplica del ZEEP canadiense), moderado con agua pesada; fue puesto a crítico en diciembre de 1948. Algunos años después, en 1955, se establecieron las especificaciones del G2, primer reactor productor de plutonio, alimentado con uranio natural y refrigerado con anhídrido carbónico, el que se construyó en Marcoule, sitio cercano a Aviñón. Por esta misma época, se inició un programa conjunto entre la compañía estatal EDF (Electricité de France) y el Commissariat à L’Énergie Atomique que comprendía una primera central de 70MW eléctricos de potencia equipada con un reactor similar al de Marcoule. La instalación se construyó en Chinon y fue la primera de una serie de seis, todas del mismo tipo, puestas en operación entre 1965 y 1972. En el ínterin se llevaron a cabo otras experiencias, tales como la construcción de un reactor reproductor rápido, y la incursión de EDF en el campo de los reactores de agua a presión. Sin embargo, la adopción definitiva de esta línea de reactores, denominados PWR (Pressurized Water Reactor) –alimentados con uranio enriquecido y refrigerados y moderados con agua común a presión–, se produjo recién en 1970 cuando EDF encarga a Framatome –licenciataria de Westinghouse– la primera central de esta clase, de 900MW eléctricos de potencia, a construirse en Feseengein. Francia fue el primer país que desarrolló desde el principio un programa nucleoeléctrico completo y es actualmente el segundo productor mundial de energía nuclear. Mientras tanto, en enero de 1947, se crea en Es-

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CIENCIA HOY

tados Unidos la Comisión de Energía Atómica. Las tareas de investigación se concentraban en Argonne, Oak Ridge y Knolls. Inicialmente, se consideraron reactores refrigerados con helio, pero físicos experimentados, como Wigner y algunos de sus colaboradores, recomendaron fuertemente el desarrollo de reactores alimentados con uranio ligeramente enriquecido y enfriados y moderados con agua común a presión, para favorecer las condiciones termodinámicas de la transferencia de calor. Al mismo tiempo, en Argonne se diseñaba un reactor reproductor rápido de 45kW eléctricos de potencia, alimentado con uranio-235 y refrigerado con un eutéctico sodio-potasio; fue construido en Idaho y puesto a crítico en diciembre de 1951. Hacia 1948, el almirante Hyman George Rickover (1900-1986) promovió un acuerdo entre la marina, Argonne y Westinghouse para el desarrollo de un reactor de potencia aplicable a la propulsión de submarinos. Este reactor sería alimentado con uranio-235 metálico, aleado con circonio y envainado en tubos del mismo metal, refrigerado y moderado con agua común. Fue puesto a crítico en marzo de 1953 e instalado en el submarino Nautilus, botado en 1955. Un proyecto similar para impulsar aeronaves fue vetado por el gobierno, por lo que Rickover decidió orientar el mismo concepto de reactor hacia plantas de generación de energía eléctrica. Westinghouse fue elegida para diseñar y construir el reactor, mientras que la empresa eléctrica Duquesne Light Company debía financiar la obra y operar la futura central en Shippingport. Esta se puso en servicio el 2 de diciembre de 1957, exactamente quince años después del experimento de Fermi, con una potencia de 60MW eléctricos. En el año 1963, una empresa pública de electricidad de New Jersey licita la construcción de una central nuclear en el sitio denominado Oyster Creek. General Electric y Westinghouse compiten entre sí por la obra, la que es finalmente adjudicada a esta última firma. La central, equipada con un reactor de agua en ebullición y con una potencia de 500MW eléctricos, fue publicitada por el gobierno, pero también generó el antagonismo de los productores de carbón, quienes vieron en el uranio a un serio competidor de los combustibles fósiles. Entre los años 1966 y 1967 se inicia el ‘boom nuclear‘ norteamericano; General Electric y Westinghouse se reparten el mercado de construcción de centrales nucleares en Estados Unidos. Este país es, hoy por hoy, el principal productor mundial de energía nucleoeléctrica, con más de un centenar de centrales nucleares en operación.

Los ingleses también habían heredado el agua pesada de los franceses pero pronto debieron abandonarla dadas las dificultades para su obtención, y optaron por el grafito. El grupo de Montreal, a poco de regresar a Inglaterra e instalarse en Harwell bajo la dirección de Cockcroft, construyó dos reactores experimentales alimentados con uranio natural y moderados con grafito: el GLEEP, gemelo del ZEEP y del ZOE, puesto a crítico en 1947, y el BEPO, similar a la pila de Oak Ridge y refrigerado con aire, puesto a crítico en 1948. Por la misma época, se instalaron en Windscale dos pilas para la producción de plutonio con fines militares. Entre 1953 y 1955, con el propósito de incrementar la producción de plutonio, se decidió construir en Calder Hall una serie de reactores que producirían este material y, además, electricidad. Cada reactor, refrigerado con anhídrido carbónico a presión, tendría una potencia de 40MW eléctricos. El primero de la serie de ocho fue inaugurado por la reina Isabel en octubre de 1956 y se considera como la primera central nucleoeléctrica que operó en Occidente. Estos reactores se denominaron ‘Magnox’ debido a que el combustible (uranio metálico) estaba envainado en tubos de una aleación especial de magnesio. El programa inglés de producción de energía nucleoeléctrica se lanzó en 1955, previendo plantas con capacidad creciente y costos de generación competitivos con los de la electricidad producida con combustibles fósiles. En la actualidad, casi la quinta parte del total de la energía eléctrica consumida en el Reino Unido es de origen nuclear. Aquí concluye esta breve reseña de los sucesos más significativos en relación con el descubrimiento de la fisión y el desarrollo de la energía nuclear. Se han omitido deliberadamente los aspectos militares de la historia y se ha dado preferencia a los hechos vinculados con el surgimiento de los primeros reactores experimentales y las primeras centrales nucleoeléctricas, por ser esta la más importante y también la más controvertida de las aplicaciones CH pacíficas de la energía del átomo.

Eduardo Felizia: Ingeniero Mecánico, Universidad Nacional de Córdoba. Posgrado en Protección Radiológica y Seguridad Nuclear, Facultad de Ingeniería (UBA)Comisión Nacional de Energía Atómica. Actualmente se desempeña en la Autoridad Regulatoria Nuclear, dependiente de la Presidencia de la Nación. VO LUME N 13 N º 73 (FE BRE RO-MA RZO , 2 003)

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