Tema 37

La energía nuclear es la energía almacenada en el núcleo de los átomos y liberada en los procesos que reorganizan sus nucleones. A diferencia de las reacciones químicas, que involucran a los electrones más externos y liberan energías del orden del electronvoltio, las reacciones nucleares afectan al propio núcleo y liberan energías millones de veces mayores, del orden del megaelectronvoltio ($\mathrm{MeV}$). Ese enorme factor de escala —consecuencia directa de la equivalencia entre masa y energía— explica tanto el potencial energético del núcleo como los retos técnicos, sociales y medioambientales asociados a su aprovechamiento.

Este tema, encuadrado en el bloque de física moderna, entronca con el estudio de la estructura atómica, la radiactividad y la relatividad. Su relevancia trasciende lo académico: el debate sobre el papel de la fisión en la transición energética, la promesa de la fusión y la gestión de los residuos radiactivos son cuestiones de actualidad que exigen ciudadanía científicamente informada. Comprender los fundamentos físicos permite valorar con rigor, y sin ideología, un asunto a menudo tratado con desinformación.

1. Energía nuclear: el núcleo atómico y la energía de enlace

El núcleo atómico está formado por nucleones: $Z$ protones (número atómico) y $N$ neutrones, que suman el número másico $A = Z + N$. Un núclido se representa como $^{A}_{Z}\mathrm{X}$. Los isótopos son núclidos con igual $Z$ y distinto $N$ (por ejemplo, $^{235}_{92}\mathrm{U}$ y $^{238}_{92}\mathrm{U}$).

La cohesión del núcleo, pese a la intensa repulsión electrostática entre protones, se debe a la interacción nuclear fuerte: una fuerza atractiva de muy corto alcance ($\sim 10^{-15}\ \mathrm{m}$) que actúa entre nucleones vecinos. Su existencia plantea de inmediato la pregunta central del tema: ¿cuánta energía mantiene ligado al núcleo?

Defecto de masa y energía de enlace

Experimentalmente, la masa de un núcleo es menor que la suma de las masas de sus nucleones por separado. Esa diferencia es el defecto de masa:

La masa “que falta” se ha transformado en la energía de enlace $E_e$ que hubo que liberar al formar el núcleo (y que habría que aportar para desintegrarlo en sus nucleones):

Resulta muy cómodo trabajar con la unidad de masa atómica ($\mathrm{u}$), cuyo equivalente energético es:

Energía de enlace por nucleón

La magnitud verdaderamente reveladora es la energía de enlace por nucleón, $E_e/A$: mide cuán fuertemente ligado está, en promedio, cada nucleón. Al representarla frente a $A$ se obtiene una curva característica que crece rápidamente para núcleos ligeros, alcanza un máximo en torno a $8{,}8\ \mathrm{MeV}$ por nucleón en la región del hierro ($^{56}\mathrm{Fe}$) y decrece suavemente para los núcleos pesados.

Esta curva es la clave energética de todo el tema. Los núcleos más estables son los del centro; por tanto, se libera energía siempre que un proceso desplace a los nucleones hacia ese máximo:

• Fusionando núcleos muy ligeros (a la izquierda del máximo).
• Fisionando núcleos muy pesados (a la derecha del máximo).

En ambos casos aumenta la energía de enlace por nucleón de los productos y esa diferencia se libera como energía cinética y radiación.

2. Principio de conservación masa-energía

La física clásica postulaba dos principios de conservación independientes: el de la masa y el de la energía. La teoría de la relatividad especial de Einstein (1905) los unificó en uno solo. Su resultado más célebre establece la equivalencia entre masa y energía:

La masa es, así, una forma más de energía. Un pequeño defecto de masa corresponde a una enorme energía, dado el valor de $c^2$: la conversión íntegra de tan solo $1\ \mathrm{g}$ liberaría

energía comparable a la de decenas de toneladas de combustible fósil.

Balance energético de una reacción nuclear

En toda reacción nuclear se conservan la carga, el número de nucleones y la energía total (incluida la asociada a la masa). El defecto de masa de la reacción —diferencia entre las masas de reactivos y productos— determina la energía liberada o absorbida, llamada valor Q:

Si $Q > 0$ la reacción es exoenergética (libera energía; la masa de los productos es menor); si $Q < 0$ es endoenergética. La energía nuclear aprovechable no procede, pues, de “destruir masa” en un sentido mágico, sino de reordenar los nucleones hacia configuraciones más ligadas, con la consiguiente disminución de masa en reposo del sistema. Este principio es el hilo conductor que conecta la energía de enlace del epígrafe anterior con la fisión y la fusión.

3. Fisión y fusión nuclear

Fisión nuclear

La fisión es la ruptura de un núcleo pesado en dos fragmentos de masa comparable, con emisión de varios neutrones y liberación de energía. Fue interpretada por Lise Meitner y Otto Frisch en 1939 a partir de los experimentos de Otto Hahn y Fritz Strassmann. El caso paradigmático es el del uranio-235, que fisiona al capturar un neutrón lento (térmico):

Cada fisión libera del orden de $200\ \mathrm{MeV}$ (unos $3{,}2\times10^{-11}\ \mathrm{J}$), repartidos sobre todo como energía cinética de los fragmentos. Los productos son isótopos de vida corta y larga que suelen ser, a su vez, radiactivos: de ahí el problema de los residuos.

El rasgo decisivo es que cada fisión emite 2 o 3 neutrones, capaces de provocar nuevas fisiones. Se establece así una reacción en cadena. Su control se describe con el factor de multiplicación $k$, número medio de fisiones que desencadena cada fisión:

• $k < 1$: régimen subcrítico (la reacción se extingue).
• $k = 1$: régimen crítico (reacción autosostenida y estable, la de un reactor).
• $k > 1$: régimen supercrítico (crecimiento exponencial, la de un arma).

Para que la cadena se mantenga es necesaria una masa crítica mínima de material fisible, de modo que los neutrones provoquen fisiones antes de escapar.

Fusión nuclear

La fusión es la unión de dos núcleos ligeros para formar uno más pesado, liberando energía. Es el proceso que alimenta a las estrellas: en el Sol, la cadena protón-protón convierte hidrógeno en helio con un balance neto

que libera unos $26{,}7\ \mathrm{MeV}$. La reacción de mayor interés tecnológico es la de deuterio-tritio:

La dificultad es superar la barrera coulombiana: para que dos núcleos positivos se aproximen lo bastante para que actúe la fuerza fuerte hacen falta temperaturas de decenas de millones de kelvin, que ionizan totalmente la materia en estado de plasma. En las estrellas, la gravedad proporciona el confinamiento; en la Tierra hay que recurrir al confinamiento magnético o inercial.

Comparación energética

Aunque cada fisión libera más energía absoluta ($\sim 200\ \mathrm{MeV}$) que cada fusión D-T ($17{,}6\ \mathrm{MeV}$), lo relevante es la energía por nucleón: la fusión ronda los $3{,}5\ \mathrm{MeV}$ por nucleón frente a los $\sim 0{,}85\ \mathrm{MeV}$ por nucleón de la fisión. Por unidad de masa, la fusión libera unas cuatro veces más energía, con combustible más abundante (deuterio del agua de mar) y sin residuos de alta actividad de larga vida. Por eso constituye el gran objetivo de la investigación energética.

4. Su utilización

Centrales de fisión

El aprovechamiento industrial de la energía nuclear se basa hoy en la fisión controlada. En un reactor nuclear la reacción en cadena se mantiene en régimen crítico ($k=1$) y el calor generado produce vapor que mueve una turbina acoplada a un alternador; el esquema termodinámico es análogo al de una central térmica, pero la caldera es el núcleo del reactor. Sus elementos esenciales son:

• Combustible: uranio (habitualmente enriquecido en $^{235}\mathrm{U}$ hasta un 3–5 %) o, en algunos diseños, plutonio.
• Moderador: sustancia (agua ligera, agua pesada o grafito) que frena los neutrones hasta energías térmicas, en las que la probabilidad de fisión del $^{235}\mathrm{U}$ es mucho mayor.
• Barras de control: de materiales absorbentes de neutrones (boro, cadmio) que, al introducirse o extraerse, ajustan el factor $k$ y permiten regular o detener la reacción.
• Refrigerante: fluido (agua, $\mathrm{CO_2}$, sodio líquido) que extrae el calor del núcleo.
• Blindaje y contención: barreras que confinan la radiación y los productos radiactivos.

Los reactores comerciales más extendidos son los de agua a presión (PWR) y de agua en ebullición (BWR). El primer reactor de fisión autosostenido fue el Chicago Pile-1, dirigido por Enrico Fermi en 1942.

Otras aplicaciones

Además de la generación eléctrica, las reacciones y radiaciones nucleares tienen usos muy diversos:

• Medicina: radioterapia contra el cáncer, diagnóstico por imagen (gammagrafía, PET) y radiofármacos.
• Datación: el carbono-14 permite datar restos orgánicos, y otros isótopos, rocas y minerales.
• Industria y agricultura: radiografía industrial, trazadores, esterilización de material y conservación de alimentos.
• Propulsión: reactores en buques y submarinos.

Hacia la fusión controlada

La fusión aún no es comercial. Las dos vías de investigación son el confinamiento magnético —que atrapa el plasma con campos magnéticos en dispositivos toroidales como el tokamak (proyecto internacional ITER, en construcción en Francia) o el stellarator— y el confinamiento inercial, que comprime microcápsulas de combustible con láseres de gran potencia. El criterio de rentabilidad se resume en el factor de ganancia $Q_{\text{fus}}$, cociente entre la energía de fusión producida y la aportada; alcanzar de forma sostenida $Q_{\text{fus}} > 1$ (ignición) es el hito perseguido.

5. Situación actual

La energía nuclear de fisión aporta en torno a una décima parte de la electricidad mundial y una fracción libre de emisiones directas de $\mathrm{CO_2}$, lo que la sitúa en el centro del debate sobre la descarbonización. En España varios reactores cubren en torno al 20 % de la generación eléctrica, si bien existe un calendario de cierre progresivo pactado a partir de la próxima década, sujeto a revisión política y técnica.

El panorama internacional es contradictorio. Algunos países mantienen o amplían su parque nuclear apelando a la seguridad de suministro y a la lucha contra el cambio climático; otros lo reducen por motivos de seguridad, coste o rechazo social, muy influidos por los accidentes de Chernóbil (1986) y Fukushima (2011). Cobran protagonismo los reactores modulares pequeños (SMR), de diseño más seguro y menor inversión, y de nuevo la fusión: instalaciones experimentales han logrado ya liberar más energía de fusión que la depositada en el combustible, un avance significativo aunque lejos todavía de la viabilidad comercial.

El balance debe hacerse con datos: alta densidad energética y bajas emisiones frente a elevados costes de inversión, riesgo de accidente y, sobre todo, la gestión de los residuos, que se aborda a continuación.

6. Problemática de los residuos nucleares

Los residuos radiactivos son materiales que contienen isótopos inestables y para los que no se prevé uso. Su peligrosidad se debe a las radiaciones ionizantes que emiten y se caracteriza mediante el período de semidesintegración $t_{1/2}$, tiempo en que decae la mitad de los núcleos. La desintegración sigue la ley exponencial:

donde $\lambda$ es la constante de desintegración. Un residuo de vida larga (miles o millones de años) mantiene su actividad durante escalas de tiempo geológicas, lo que condiciona por completo su gestión.

Clasificación

Los residuos se clasifican, según su actividad y vida, en:

• Baja y media actividad, de vida corta: material contaminado de instalaciones, medicina o industria. Se almacenan en superficie durante unas décadas hasta que su actividad decae a niveles seguros (en España, el centro de El Cabril).
• Alta actividad y/o vida larga: fundamentalmente el combustible gastado y los productos de fisión y actínidos que contiene. Son los verdaderamente problemáticos: muy radiotóxicos y activos durante milenios.

Gestión

Las estrategias combinan varias barreras:

• Almacenamiento temporal: piscinas en la propia central y almacenes temporales en seco (individualizados, ATI, o centralizados, ATC), como paso previo mientras decae el calor residual.
• Almacenamiento geológico profundo (AGP): la solución de referencia a largo plazo, que aísla los residuos vitrificados en formaciones geológicas estables (granito, arcilla, sal) a cientos de metros de profundidad, con un sistema de barreras múltiples (matriz vítrea, contenedor metálico, relleno de arcilla y la propia roca).
• Reprocesado: separación química del uranio y plutonio aún útiles del combustible gastado para su reutilización, reduciendo el volumen de residuo de alta actividad, aunque con riesgos de proliferación.

La investigación explora además la transmutación de los isótopos de vida larga en otros de vida más corta mediante reactores avanzados o sistemas asistidos por acelerador. La gestión de residuos es, en definitiva, el principal condicionante medioambiental de la fisión y un argumento de peso a favor de la fusión, que no los genera de alta actividad y vida larga.

Aplicación didáctica

En el currículo LOMLOE (Real Decreto 217/2022), los contenidos de física nuclear se introducen en 4.º de ESO —estructura del átomo, isótopos, radiactividad y sus aplicaciones y riesgos— y se profundizan en la Física de 2.º de Bachillerato, donde se aborda la equivalencia masa-energía, la energía de enlace y las reacciones de fisión y fusión. Es un tema idóneo para trabajar la competencia STEM y la dimensión ciudadana de la ciencia: permite plantear situaciones de aprendizaje en torno a la transición energética, la gestión de residuos o los usos médicos de la radiación, articulando el análisis de datos, la argumentación y la toma de decisiones informada.

Conviene anticipar ideas previas y errores frecuentes: confundir reacción nuclear con reacción química; creer que en $E=mc^2$ “la masa desaparece” en lugar de transformarse conservándose la energía total; identificar toda radiactividad con las centrales, ignorando la radiación natural (radón, potasio-40) y las aplicaciones médicas; o confundir fisión y fusión. También es habitual asociar “nuclear” exclusivamente a lo bélico. El uso de esquemas de la curva de energía de enlace, simulaciones interactivas (por ejemplo, las de PhET) y el análisis crítico de noticias resultan especialmente eficaces para construir una comprensión rigurosa y desdramatizada.

Conclusión

La energía nuclear surge de la reorganización de los nucleones hacia configuraciones más estables, y su fundamento último es la equivalencia masa-energía de Einstein: el defecto de masa de una reacción, multiplicado por $c^2$, determina la energía liberada. La curva de energía de enlace por nucleón explica de forma unificada que se obtenga energía tanto fisionando núcleos pesados como fusionando núcleos ligeros. La fisión controlada es hoy una fuente energética madura pero condicionada por la seguridad y por unos residuos de vida larga cuya gestión exige aislamiento durante escalas geológicas; la fusión promete un aprovechamiento más limpio y abundante, aún en fase de investigación. Dominar estos fundamentos capacita al futuro docente para enseñar un contenido de gran densidad conceptual y, a la vez, de enorme repercusión social, formando una ciudadanía capaz de participar con criterio en uno de los grandes debates energéticos de nuestro tiempo.