El uranio es el principal material en estado puro que utilizan los programas nucleares, tanto civiles como militares.
Este material se extrae ya sea de yacimientos abiertos o de reservas subterráneas.
A pesar de que el uranio puede encontrarse en forma natural en muchas del parte del mundo, escasea en concentraciones suficientes para su explotación.
Cuando algunos átomos de uranio se dividen a raíz de una reacción en cadena, éstos liberan energía. Este proceso se llama fisión nuclear.
En una planta nuclear esta fisión se produce lentamente, mientras que dentro de un arma nuclear, se produce a gran velocidad.
En ambos casos, la fisión debe ser controlada con mucho cuidado.
Países con mayores reservas de Uranio
1. Kazajistán
2. Australia
3. Sudáfrica
4. Estados Unidos
5. Canadá-Argentina
6. Brasil
7. Namibia
La fisión nuclear funciona mejor si se utilizan isótopos
¿los átomos con el mismo número atómico, pero diferente número de neutrones-
de uranio 235 (o plutonio 239).
Al uranio 235 se o conoce como
isótopo fosil
por su tendencia a dividirse durante una reacción en cadena,
liberando energía en forma de calor.
Cuando un átomo de uranio-235 se divide, emite dos tres neutrones.
Cuando otros átomos de uranio-235 están presentes, estos neutrones chocan con ellos provocando la división de otros átomos, produciendo entonces más neutrones.
Una reacción nuclear sólo tendrá lugar si hay suficientes átomos de uranio-235
que permitan la continuación de este proceso, en una reacción en cadena auto sustentable.
Este requerimiento es conocido como "masa crítica".
Sin embargo, cada 1.000 átomos de uranio natural se encuentran sólo siete átomos de uranio-235, en tanto los restantes 993 son de uranio-238, mucho más densos.
Una vez extraído, el uranio es transportado a una planta especializada donde es molido hasta convertirlo en un polvo muy fino.
Luego es purificado por medio de un proceso químico y reconstituido en una forma sólida conocida como "torta amarilla", debido a su color amarillento.
Este material contiene uranio en un 60-70% y es radiactivo.
El objetivo principal de los científicos nucleares es aumentar la cantidad de átomos de uranio-235, un proceso conocido como enriquecimiento.
"Torta amarilla" de uranio.
Para hacerlo el uranio debe ser convertido primero en un gas, hexafluoruro de uranio,
para ello se lo calienta a unos 64 grados centígrados.
El hexafluoruro de uranio es corrosivo y reactivo por lo que debe ser manejado con sumo cuidado. Las tuberías y bombas de las plantas de conversión son construidas de una forma especial con aleaciones de aluminio y níquel.
El gas también es aislado de los lubricantes para evitar cualquier reacción química inesperada.
Los reactores nucleares trabajan bajo el principio de que la fisión nuclear libera calor, que puede ser utilizado para transformar agua en vapor que mueva turbinas.
Un reactor típico utiliza uranio enriquecido en la forma de "balines" del tamaño de una moneda y de unos tres centímetros de largo.
Estos balines son transformados en largas varillas,
las cuales son introducidas en fardos en una cámara presurizada.
En muchas plantas de electricidad nucleares los fardos de varillas son sumergidos en agua para regular su temperatura. Otros tipos de instalaciones utilizan dióxido de carbono
o metal líquido para enfriar el núcleo del reactor.
1. Núcleo del reactor
2. Bomba de enfriamiento
3. Varillas de combustible
4. Generador de vapor
5. Vapor bombeado a una turbina, que genera electricidad
6. Construcción de contención
Para que funcione, el núcleo de uranio del reactor debe alcanzar un estado supercrítico,
es decir, que el uranio debe estar lo suficientemente enriquecido para permitir
una reacción en cadena autosustentable.
Para regular este proceso y permitir el funcionamiento de una planta nuclear,
son introducidas varillas de control en la cámara del reactor.
Estas son construidas normalmente de cadmio, que absorbe los neutrones.
Menos neutrones significa menos reacciones en cadena, lo que frena el proceso de fisión.
Existen más de 400 plantas de reacción nuclear en la Tierra, que producen un 17% de la energía eléctrica global.
Los reactores nucleares son utilizados también en submarinos y navíos.
El enriquecimiento busca aumentar la proporción de isótopos de uranio-235 en la composición del propio uranio.
El uranio necesita ser enriquecido con un 2-3% de uranio-235 para que sea útil en un reactor. Cuando se quiere fabricar una bomba, entonces el uranio debe ser enriquecido con un 90% o más del isótopo 235.
El método más común para lograr un enriquecimiento es el uso de centrifugadoras de gas, donde el hexafluoruro de uranio (gas) es girado a altas velocidades dentro de una cámara cilíndrica. Esto provoca la separación del isótopo 238 del más liviano 235.
El 238 es conducido hacia la parte inferior de la cámara y expulsado, el 235 permanece cerca del centro y es capturado y enviado a otra centrifugadora.
Este proceso se repite varias veces, se le llama "cascada".
El uranio que resta, principalmente el isótopo 238 es conocido como el uranio empobrecido, un material más denso y levemente radiactivo.
Se le utiliza para elaborar balas capaces de atravesar blindajes.
Otro método para lograr el enriquecimiento es la difusión.
Este parte del principio de que los isótopos presentes en el uranio, el gas hexafluoruro
y el 235, se trasladarán por difusión a través de una barrera porosa a mayor velocidad
que el 238.
Como ocurre en el método de centrifugación,
este proceso debe ser reiterado en varias oportunidades.
El objetivo de todos quienes diseñan una bomba atómica es crear una masa supercrítica capaz de sostener una reacción en cadena y liberar en forma violenta grandes cantidades de calor.
El diseño más simple es el de "gatillo", aquí una pequeña masa subcrítica es disparada contra una mayor, las masas se combinan se vuelven supercríticas,
paso previo a la detonación de una explosión nuclear.
Todo el párrafo anterior ocurre en menos de un segundo.
Para elaborar combustible para una bomba de uranio, el altamente enriquecido hexafluoruro de uranio es primeramente convertido en óxido de uranio,
y luego en lingotes de metal de uranio.
Todo esto se puede lograr con un relativamente simple método de química e ingeniería.
El arma más poderosa basada en la fisión, la bomba atómica, detonará
con una fuerza de unos 50 kilotones.
Esta potencia puede ser incrementada con una técnica de "impulso",
que aprovecha las propiedades de la fusión nuclear.
La fusión consiste en la unión de los núcleos de átomos de isótopos de hidrógeno para producir núcleos de helio.
Este proceso tiene lugar cuando los núcleos de hidrógeno son sometidos
a calor y presión intensos, fenómenos producidos por una bomba nuclear.
La fusión nuclear produce más neutrones que a su vez alimentan la fisión,
lo que resulta en una explosión mayor.
Tales armas "impulsadas" son conocidas como bombas de hidrógeno
o armas termonucleares.
La planta de rerpocesamiento de Sellafield, en el Reino Unido,
es una de las mayores del mundo.
El reprocesamiento es una operación química que separa el combustible
que puede ser utilizado para reciclaje del desecho nuclear.
Primero se quita el recubrimiento metálico de las varillas de combustible
usadas antes de que estas sean disueltas en ácido nítrico caliente.
Esto produce uranio (96%), que puede ser reciclado, desechos altamente
radiactivos (3%) y plutonio (1%).
La planta de rerpocesamiento de Sellafield, en el Reino Unido,
es una de las mayores del mundo.
Todos los reactores nucleares producen plutonio,
pero los del tipo militar lo hacen en forma más eficiente que los de uso civil.
Una planta de reprocesamiento y un reactor para producir plutonio pueden
ser escondidos dentro de un edificio que se vea "normal" desde el exterior.
Esto hace que la extracción de plutonio por medio del reprocesamiento
algo muy atractivo para cualquier país que intente un programa de armas clandestino.
El plutonio ofrece varias ventajas sobre el uranio como un componente de un arma nuclear.
Sólo cuatro kilogramos son necesarios para hacer un artefacto explosivo.
Dicha arma tiene una potencia de 20 kilotones.
Y se necesita una planta relativamente pequeña de reprocesamiento
ara obtener 12 kilogramos de plutonio por año.
Una cabeza nuclear tiene una esfera de plutonio rodeada por una cápsula de berilio,
que refleja los neutrones hacia el proceso de fisión.
Esto hace que se necesite menos plutonio para lograr la masa crítica
y producir una reacción de fisión autosustentable.
Los expertos creen que una bomba de plutonio artesanal puede ser diseñada
y armada por terroristas sin mayores conocimientos que los que tenía
el culto religioso que atacó el subterráneo de Tokio con un gas tóxico en 1995.
Un arma nuclear de este tipo puede estallar con una potencia de 100 toneladas de TNT.
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