Menu

Central nuclear d'Isar, Alemanya

Piscina de combustible nuclear gastat

Turbina d'una central nuclear

Història de l'energia nuclear

Història de l'energia nuclear

Per explicar la història de l'energia nuclear podríem distingir tres grans etapes:

  • Estudis científics físics i químics dels elements.
  • El desenvolupament de la bomba nuclear durant la Segona Guerra Mundial.
  • Utilització de l'energia nuclear en l'àmbit civil.

Els estudis científics engloben tot aquest període des que els primers filòsofs grecs van començar a definir els àtoms, fins al desenvolupament de la primera bomba nuclear. En aquest procés, diferents científics descobreixen la presència dels electrons, els neutrons i els protons i les propietats que fan que un àtom sigui més radioactiu que un altre.

Durant la Segona Guerra Mundial els EEUU, animats per Albert Einstein, impulsen la primera bomba nuclear. Aquesta serà la primera vegada que es fa servir la tecnologia nuclear fora del context de la investigació.

Posteriorment i veient la perillositat de les armes nuclears es van començar a establir tractats per regular-ne el desenvolupament i impulsar l'ús de l'energia nuclear en l'àmbit civil. És en aquest moment, en què comencen a aparèixer les primeres centrals nuclears de generació d'electricitat.

Primers avenços científics

Filòsof grec Demòcrit d'Abdera - descubridor de l'àtomEl filòsof grec Demòcrit d'Abdera va ser el primer de la història a donar una definició d'àtom: la part més petita constituent de la matèria. Això va ser al segle V a. de C. Àtom prové del grec i significa "no-divisible". Encara que més tard, amb la fissió nuclear, s'aconsegueix dividir  àtoms amb l'objectiu d'obtenir energia.

Més tard, el 1803, el químic britànic John Dalton afirmava en el seu llibre A New System of Chemical Philosophy que els elements es formaven a partir de determinades combinacions d'àtoms i que tots els àtoms d'un mateix element eren idèntics. És a dir, que tots els àtoms del ferro o de l'urani eren idèntics.

Taula periòdica dels elements

A partir d'aquí el treball dels científics es va centrar en identificar tots els elements i classificar-los. El primer a proposar una ordenació va ser el químic anglès Newlands. Una proposta que altres científics com Lothar Meyer, Dimitri Mendeleiev o Moseley es van encarregar d'estudiar i modificar fins a obtenir la Taula Periòdica actual.

Descobriment de l'electró

Al 1897, J.J. Thompson va anunciar el descobriment d'una partícula carregada negativament la qual va anomenar electró. Va ser capaç de deduir també la relació entre la càrrega d'una partícula (e) i la seva massa (m). Els electrons són elements carregats negativament que van orbitant al voltant d'un nucli com si es tractés de planetes orbitant al voltant del Sol. El conjunt de nucli i  electrons formen l'àtom com descobrirà més endavant Rutherford.

El descobriment de la radioactivitat

Antoine Henri Becquerel pare de l'energia nuclear

El 1896, el físic francès Antoine-Henri Becquerel va comprovar que determinades substàncies, com les sals d'urani, produïen radiacions penetrants d'origen desconegut. Aquest fenomen va ser conegut com  radioactivitat .

El científic francès estava treballant al seu laboratori i va deixar descuidadament unes sals d'urani al costat d'unes plaques fotogràfiques que van aparèixer posteriorment velades, tot i estar protegides de la llum solar. Després d'investigar-ho es va adonar que el causant eren les plaques era el urani. Gràcies al seu descobriment  Becquerel va esdevenir el "pare de l'energia nuclear".

Durant la mateixa època, el matrimoni francès format per Pierre i Marie Curie van deduir, amb les seves investigacions, l'existència d'un altre element d'activitat més elevada que la d'urani, que en honor a la seva pàtria van ser anomenar poloni. També van ser els descobridors d'un segon element al que van denominar radi.

Aquests tres elements, per les seves característiques, tingueren una gran importància en el desenvolupament de l'energia nuclear. Actualment, el combustible de pràcticament totes les centrals nuclears és l'urani.

Posteriorment, com a resultat de les investigacions de Rutherford i Soddy, es demostraria que l'urani i altres elements pesats, emetien tres tipus de radiacions: alfa, beta i gamma. Les dues primeres estaven constituïdes per partícules carregades, comprovant-se que les partícules alfa eren nuclis d' àtoms d'heli i les partícules beta eren electrons. A més, es va comprovar que les radiacions gamma eren de naturalesa electromagnètica.

El model atòmic de Rutherford

El descobriment de la naturalesa de les radiacions va permetre a Rutherford estudiar l'estructura de la matèria. Amb els seus experiments va poder deduir que l'àtom estava constituït per una zona central positiva on es concentrava tota la massa i que els electrons giraven en òrbites al voltant del nucli, com si fos un petit sistema solar. Això significava que l'àtom no era massís com es creia fins llavors.

El descobriment de la constant de Planck i la teoria quàntica

El 1900, el físic alemany Max Planck va formular que l'energia s'emetia en petites unitats individuals conegudes com a quants. Va descobrir una constant de caràcter universal coneguda com la constant de Planck, representada amb una h.

La llei de Planck estableix que l'energia de cada quant és igual a la freqüència de la radiació electromagnètica multiplicada per aquesta constant universal.

Els descobriments de Planck van representar el naixement d'un nou camp per a la física, conegut com a mecànica quàntica i va proporcionar les bases per a la investigació en camps com el de l'energia nuclear.

La teoria de la relativitat d'Albert Einstein

Albert Einstein es el científic més ben considerat de la història del segle XX.Einstein va proposar la coneguda equació E = mc2. Aquesta equació va resultar ser revolucionària per als posteriors estudis de física nuclear, encara que en aquells temps no es disposava de mitjans per demostrar-la experimentalment. Així, E representa l'energia i m la massa, ambdues interrelacionades a través de la velocitat de la llum c. Aquesta equació relacionava les conversions màssiques d'energia, de manera que es podia afirmar, que ambdues entitats són diferents manifestacions d'una mateixa cosa.

Albert Einstein va relacionar l'energia amb la massa

 

El model atòmic de Bohr

El físic danès Niels Bohr va desenvolupar en 1913 una hipòtesi, segons la qual els electrons estaven distribuïts en capes definides (o nivells quàntics) a certa distància del nucli. D'aquesta manera es constituïa la configuració electrònica dels diferents elements.

Per Bohr, els electrons giraven en òrbites estacionàries des de les quals no s'emetia cap radiació. D'aquesta manera, s'enterrava el vell concepte de l'àtom com una cosa indivisible, inert i simple, i apareixent la hipòtesi d'una estructura complexa que donaria posteriorment complicades manifestacions energètiques.

El descobriment del neutró

El descobriment del neutró va ser realitzat per James Chadwick al 1932 Chadwick va "mesurar" la massa de la nova partícula deduint que era similar a la del  protó però amb carrega elèctricament neutra. Així, es va observar que el  nucli atòmic estava compost per neutrons i protons, sent el nombre de protons igual al de electrons .

Amb el seu descobriment, Chadwick va aconseguir un "projectil" de característiques ideals per provocar reaccions nuclears.

El descobriment de la  radioactivitat artificial

El matrimoni format per Fréderic Joliot i Irene Curie van ser els descobridors de laradioactivitat artificial.

Les conclusions a què va arribar el matrimoni Joliot-Curie, es basaven en la idea que la radioactivitat, fins llavors de caràcter natural, podia ser produïda per l'home, construint elements radioactius mitjançant el bombardeig amb partícules alfa d'alguns elements químics.

El descobriment de la fissió nuclear

la fissió nuclear emet energia

A la fi de 1938, al llindar de la Segona Guerra Mundial, un equip d'investigadors alemanys al Kaiser Wilhem Institut de Berlín, integrat per Otto Hahn , Fritz Strassmann, Lisa Meitner i Otto Frisch, van interpretar el fenomen de la fissió nuclear, a través de la identificació de l'element bari com a conseqüència de l'escissió del nucli d'urani.

Els primers estudis sobre la fissió nuclear foren ser duts a terme per Otto Hahn i Lise Meitner, basant-se en els resultats obtinguts pel matrimoni Joliot-Curie, que mitjançant anàlisis molt acurats, van trobar un element de nombre atòmic intermedi en una mostra deurani bombardejat amb neutrons.

Lise Meitner i Otto Frisch van poder deduir que en bombardejar l'urani amb neutrons, aquest capturava 1 neutró i es dividia en dos fragments, emetent d'una gran quantitat d'energia. Era el descobriment de la fissió nuclear.

La bomba atòmica

Molts dels grans invents de la història tenen un origen milirtar. El cas de l'energia nuclear no n'és una excepció.

El Projecte Manhattan

El 1939, en els inicis de la Segona Guerra Mundial, Albert Einstein recomana al president dels Estats Units, F.D. Roosevelt, el desenvolupament de la bomba atòmica. Einstein explicava que gràcies als treballs de recerca duts a terme per Enrico Fermi i Leo Szilard, als Estats Units, i per Frédéric Joliot i la seva esposa Irene Joliot-Curie, a França, era gairebé segur que molt aviat fos possible desencadenar una reacció nuclear en cadena que permetés alliberar unes grans quantitats d'energia. Aquest procediment permetria també la construcció d'una nova classe de bombes.

Einstein esmentava també l'escassetat de reserves d'urani dels Estats Units i que les mines d'aquest mineral es trobaven a l'antiga Txecoslovàquia i al Congo Belga. Va proposar la col·laboració entre científics i la indústria per desenvolupar el més aviat possible l'esmentada bomba atòmica.

A més, va informar que Alemanya havia suspès la venda d'urani de les mines txeques, de les quals el Reich se n'havia fet càrrec. Aquest fet podria significar que els científics de l'Institut Kaiser Wilhelm també podrien estar duent a terme experiments de fissió nuclear.

La por d'Albert Einstein a la guerra nuclear era conseqüència del seu profund coneixement dels avenços de la recerca en aquest camp. Va haver d'emigrar als Estats Units el 1933, des d'Alemanya, al començament de la persecució dels jueus.

De la carta d'Albert Einstein:

"Treballs recents d'E. Fermi y L. S. Szilard ... em permeten suposar que l'element químic urani ... pot esdevenir una nova font energètica molt important ... Durant els últims quatre mesos la possibilitat de dur a terme una reacció nuclear en cadena mitjançant una gran quantitat d' urani, ha augmentat; aquesta reacció donaria lloc a grans quantitats d'energia i nous elements semblants al radi ... Aquest nou fenomen conduiria també a la construcció de bombes ...

Tenint en compte aquesta situació sembla aconsellable mantenir un cert contacte entre el govern i el grup de físics que treballa a Amèrica amb reaccions en cadena.

Un camí possible per aconseguir-ho podria ser que vostè traslladés aquest encàrrec a una persona de la seva confiança.

Les seves tasques podrien ser en aquest aspecte les següents: ... assegurar el subministrament d'urani dels Estats Units ... accelerar els treballs experimentals ... obtenir fons ... "

Roosevelt va acollir la carta d'Einstein sense excessiva il·lusió, encara que va crear una comissió perquè s'encarregués de les qüestions esmentades pel científic en la mateixa.

Entre 1940 i 1941 van començar a realitzar-se mesures en sistemes de urani-grafit, descobrint Glen Seaborg, a finals de 1940, un element artificial, el plutoni-239, que podria emprar-se per a la fabricació posterior de la bomba atòmica.

La fabricació de la bomba va ser confiada a l'exèrcit, en un projecte bèl·lic que costaria al voltant de 2.500 milions de dòlars. El programa contemplava dues alternatives: la separació de l'urani-235 del urani -238, i la producció de plutoni -239 en els reactors de grafit.

El 2 de desembre de 1942, un grup de físics nuclears europeus, emigrats als Estats Units i dirigits pel físic italià Enrico Fermi, posaven en marxa la primera reacció nuclear en cadena produïda per l'home a l'història de l'energia nuclear amb la intenció d'aplicar per primera vegada la energia nuclear. El reactor nuclear emprat, conegut com Chicago Pile (CP-1), era d'estructura senzilla, i es va instal·lar sota la tribuna de l'estadi de futbol americà de la Universitat de Chicago. Es va emprar combustible d'urani, com el que Fermi emprava en els seus experiments a Roma, i moderador de grafit.

Els preparatius per a aquest experiment van ser duts a terme en gran secret. L'objectiu de la investigació era l'obtenció d'una reacció en cadena-en principi controlada- que permetés l'estudi de les seves propietats en vistes al possible desenvolupament d'una bomba atòmica.

La reacció en cadena de fissió es va iniciar un cop es van extreure amb molta cura les barres de control. En aquest moment, va entrar en funcionament el primer reactor nuclear de la història de l'energia nuclear.

Al 1943 s'aixecaren tres ciutats plenes d'instal·lacions de recerca: Oak Ridge (Tennessee) per separar l'urani-235 del urani -238, Hanford per a l'establiment dels reactors nuclears, i Los Alamos per a la construcció de la bomba atòmica. Robert Oppenheimer va ser nomenat director del laboratori de Los Alamos, aconseguint reunir prop de mil científics que romandrien allà fins a sis mesos després d'acabada la contesa.

A la matinada del 16 de juliol de 1945, es va dur a terme la primera prova de la bomba atòmica de plutoni al desert de Alamogordo (Nou Mèxic), i va resultar ser un èxit rotund.

La bomba d'urani i la de plutoni van estar llestes a la vegada. La primera, anomenada Little Boy, constava de dues masses d'urani -235 que projectaven una sobre l'altra amb explosius convencionals.

La segona, Fat Man, consistia en una esfera buida de plutoni que col·lapsava sobre el seu centre per l'acció d'explosius convencionals

El 6 d'agost de 1945, es van llançar les dues bombes nuclears que alterarien el rumb de la història. Little Boy fou llançada sobre Hiroshima des de l'avió Enola Gay, i el 9 d'agost,Fat Man va caure sobre Nagasaki.

 

Nube de hongo sobre Hiroshima después de haber soltado la bomba Little BoyLa nube de hongo creada por la bomba Fat Man como resultado de la explosión nuclear sobre Nagasaki

Les ciutats japoneses d'Hiroshima i Nagasaki es van convertir així en els primers i fins al moment els únics objectius d'un atac amb bombes atòmiques de la història.

Les condicions per a la construcció d'una bomba atòmica, en la qual van treballar sense èxit durant la Segona Guerra Mundial alguns físics soviètics, com Igor Vasilievich Kurchatov, van ser més estrictes del que es necessita per aconseguir el funcionament exitós d'un reactor nuclear .

L'energia alliberada durant una detonació d'aquest tipus es reparteix aproximadament en un 35% de radiació tèrmica, un 50% de pressió i un 15% de radiació nuclear. Aquest procés fa que s'assoleixin temperatures de fins a 14 milions de graus centígrads. La bomba d'Hiroshima va alliberar 23,2 milions de KWh.

Aprofitament de l'energia nuclear per a usos pacífics

Amb la intenció de suavitzar aquesta situació, es van organitzar una sèrie de conferències internacionals de caràcter tècnic sobre els usos pacífics de l'energia nuclear. En aquesta ocasió, les converses entre els països desenvolupats amb un important potencial atòmic van ser un complet èxit.

Aprofitant la nova situació, el president nord-americà Eisenhower va exposar llavors a les Nacions Unides el seu programa de cooperació internacional "Atoms for Peace". A partir d'aquest programa, es van alliberar una sèrie de coneixements científics i tecnològics que permetrien la posterior explotació comercial de l'energia nuclear. El discurs proposava un acord entre les grans potències per aturar i reduir la fabricació d'armament nuclear i donar a conèixer a tota la humanitat els coneixements i mitjans materials, especialment els combustibles nuclears, per al seu ús amb fins pacífics. A més, es va afavorir la creació d'organismes reguladors.

No obstant això, països com el Regne Unit i l'antiga Unió Soviètica, havien començat ja les seves investigacions destinades a el desplegament comercial de l'energia nuclear.

Tractat definitiu de No Proliferació Nuclear

El 1967, l'OIEA va organitzar un grup d'anàlisi de tots aquells problemes tècnics que pogués contenir un Tractat de No Proliferació Nuclear, que entraria en vigor el 1972.

Els països signants van acordar no transferir armes nuclears ni col·laborar per a la seva fabricació, i es van comprometre a establir les salvaguardes necessàries per al seu compliment.

El desenvolupament de l'energia nuclear va estar promogut en tot moment per l'interès despertat sobre la producció d' electricitat emprant aquesta font d'energia. Al llarg de la dècada dels 60 i dels 70, es van iniciar diversos programes nuclears en diversos països.

 

Referències

Autor:

Data de publicació: 13 de juliol de 2011
Última revisió: 23 de gener de 2020