HAMBURGO – Hace unos sesenta años, el descubrimiento de la energía nuclear prometía ser la solución definitiva a los problemas de energía del mundo. Actualmente, esa promesa sigue sin cumplirse. El desarrollo de la tecnología nuclear se ha estancado y las plantas de energía nuclear siguen usando la tecnología de hace medio siglo.
La energía nuclear se produce mediante procesos de desintegración de elementos pesados como el uranio o el torio. Los núcleos de sus átomos normalmente se desintegran en dos núcleos más pequeños y en un par de neutrones liberando muchas millones de veces más energía que cualquier otro proceso químico. Los elementos pesados contienen tanta energía porque almacenaron una fracción de la energía liberada por la explosión de la supernova que creó la Tierra y el sistema solar hace unos cinco mil millones de años.
Las plantas de energía actuales usan como combustible un tipo especial de uranio, el U-235, que se consume en procesos en cadena en los que los neutrones de una descomposición nuclear inducen la siguiente descomposición. Ni el uranio-238, que es más o menos 100 veces más abundante que el u-235, ni el torio, que es incluso más accesible, se usan para producir energía a gran escala.
De hecho, en principio, todos los elementos pesados, incluso el plomo, son una fuente potencial de energía nuclear. A todos los que han estudiado los procesos de desintegración nuclear les ha llamado la atención las múltiples formas en las que se puede producir energía.
Sin embargo, los avances para tener acceso a este recurso han sido muy lentos. Desde el punto de vista científico, el problema principal es la falta de conocimiento. A pesar de los cientos de plantas de energía nuclear que funcionan bien, nuestro entendimiento de las fuerzas nucleares es meramente empírico, y este tipo de conocimiento siempre es imperfecto.
Por ejemplo, al producir energía nuclear, las reacciones de desintegración se repiten muchas veces y las imperfecciones de cada repetición resultan en una pérdida del poder de predicción de los cálculos. Ello dificulta el proceso de optimización y es una de las principales razones por las que varios proyectos importantes de investigación sobre la producción de energía nuclear mediante la utilización de uranio-238 o torio, que son más abundantes, (reactores de rápida generación) se cancelaron en Europa y en los Estados Unidos antes de alcanzar el nivel esperado de rendimiento.
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Otro problema es el desperdicio nuclear que surge cuando se produce energía mediante el proceso de desintegración. El desperdicio se podría reducir sustancialmente, o incluso totalmente, si lográramos usar una forma alternativa de desintegración nuclear que se desencadenara por partículas aceleradas del exterior. Sin embargo también en este caso amp#160;necesitamos conocimientos más precisos sobre las propiedades de los procesos nucleares.
La fuerza que mantiene unidos a los núcleos atómicos es un caso especial de la “fuerza fuerte”, una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza, y es extremadamente difícil de investigar porque actúa muy rápida y violentamente. Hace unos cincuenta años, se propuso estudiar las fuerzas fuertes lanzando protones unos contra otros a energías muy elevadas.
La aceleración de partículas a alta energía desacelera todos los procesos físicos porque, según la teoría de la relatividad de Einstein, el tiempo pasa más lento para los objetos de rápido movimiento. Debido a que los protones son los núcleos más simples, se esperaba que a alta energía, las fuerzas en acción durante la dispersión de protones podrían observarse y analizarse como en una película en cámara lenta, lo que ofrecería un entendimiento preciso de la fuerza fuerte.
Se construyeron varios centros de investigación de aceleradores grandes y la dispersión de partículas a altas energías reveló una estructura fascinante de la materia. Se descubrió que unas nuevas partículas, llamadas gluones, mediaban la fuerza fuerte. Su descubrimiento debería ofrecer indicios para tener un conocimiento más preciso de la fuerza fuerte.
A distancias cortas, los gluones crean una fuerza de atracción que es muy débil y bien entendida. Sin embargo, a distancias más lejanas, comparables al radio del protón, la fuerza se vuelve realmente poderosa, y un número muy grande de gluones se ven involucrados en la formación de estructuras complicadas que no se conocen muy bien en la actualidad. Por consiguiente, durante algún tiempo, no se pensó que las propiedades de la fuerza fuerte pudieran derivar directamente de las propiedades de los gluones.
En los últimos años, sin embargo, los experimentos con el acelerador HERA en Hamburgo, Alemania, han observado los efectos de la interacción fuerte en cámara lenta, lo que podría permitir empezar a tener un entendimiento de la fuerza fuerte. En el acelerador HERA se estudió la dispersión de los electrones en protones a las mayores energías jamás usadas en este tipo de experimento. amp#160;
La máquina HERA operó de 1992 a 2007. Uno de sus descubrimientos más importantes fue que varios fenómenos distintos observados a altas energías y distancias cortas se podían atribuir claramente a la emisión de gluones y la aparición de estructuras de gluones. Al observar cómo cambian estas estructuras mientras aumenta la distancia debería ser posible seguir –y por lo tanto entender- la acción de la fuerza fuerte.
No se esperaba la aparición de dichas estructuras gluónicas; los experimentos en el HERA no estaban concebidos para permitir su estudio. Sin embargo, los experimentos de precisión requeridos para medir la fuerza fuerte se pueden diseñar y construir con tecnología conocida. Por ello, dos grandes grupos de físicos –uno concentrado alrededor de los Laboratorios nacionales de Brookhaven y Jefferson en los Estados Unidos, y, el otro, en torno al CERN en Ginebra- están proponiendo reiniciar la investigación de las interacciones entre electrones y protones.
El estudio de estas interacciones debería ofrecer un entendimiento preciso de la fuerza fuerte. Además, como lo ha mostrado la historia de la física, una mejor comprensión de las fuerzas naturales abrirá nuevas posibilidades completamente inesperadas. Por ejemplo, lo que sabemos sobre la fuerza electromagnética, desarrollada principalmente en el siglo XIX y principios del XX, dio lugar a la impresionante evolución actual en el campo de las telecomunicaciones, las computadoras, la química y las ciencias sobre los materiales.
Un entendimiento preciso de la fuerza fuerte podría tener la misma importancia, lo que ofrecería nuevas maneras de usar los recursos de la energía nuclear y al mismo tiempo resolvería los problemas de seguridad y desperdicio nucleares.
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HAMBURGO – Hace unos sesenta años, el descubrimiento de la energía nuclear prometía ser la solución definitiva a los problemas de energía del mundo. Actualmente, esa promesa sigue sin cumplirse. El desarrollo de la tecnología nuclear se ha estancado y las plantas de energía nuclear siguen usando la tecnología de hace medio siglo.
La energía nuclear se produce mediante procesos de desintegración de elementos pesados como el uranio o el torio. Los núcleos de sus átomos normalmente se desintegran en dos núcleos más pequeños y en un par de neutrones liberando muchas millones de veces más energía que cualquier otro proceso químico. Los elementos pesados contienen tanta energía porque almacenaron una fracción de la energía liberada por la explosión de la supernova que creó la Tierra y el sistema solar hace unos cinco mil millones de años.
Las plantas de energía actuales usan como combustible un tipo especial de uranio, el U-235, que se consume en procesos en cadena en los que los neutrones de una descomposición nuclear inducen la siguiente descomposición. Ni el uranio-238, que es más o menos 100 veces más abundante que el u-235, ni el torio, que es incluso más accesible, se usan para producir energía a gran escala.
De hecho, en principio, todos los elementos pesados, incluso el plomo, son una fuente potencial de energía nuclear. A todos los que han estudiado los procesos de desintegración nuclear les ha llamado la atención las múltiples formas en las que se puede producir energía.
Sin embargo, los avances para tener acceso a este recurso han sido muy lentos. Desde el punto de vista científico, el problema principal es la falta de conocimiento. A pesar de los cientos de plantas de energía nuclear que funcionan bien, nuestro entendimiento de las fuerzas nucleares es meramente empírico, y este tipo de conocimiento siempre es imperfecto.
Por ejemplo, al producir energía nuclear, las reacciones de desintegración se repiten muchas veces y las imperfecciones de cada repetición resultan en una pérdida del poder de predicción de los cálculos. Ello dificulta el proceso de optimización y es una de las principales razones por las que varios proyectos importantes de investigación sobre la producción de energía nuclear mediante la utilización de uranio-238 o torio, que son más abundantes, (reactores de rápida generación) se cancelaron en Europa y en los Estados Unidos antes de alcanzar el nivel esperado de rendimiento.
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Otro problema es el desperdicio nuclear que surge cuando se produce energía mediante el proceso de desintegración. El desperdicio se podría reducir sustancialmente, o incluso totalmente, si lográramos usar una forma alternativa de desintegración nuclear que se desencadenara por partículas aceleradas del exterior. Sin embargo también en este caso amp#160;necesitamos conocimientos más precisos sobre las propiedades de los procesos nucleares.
La fuerza que mantiene unidos a los núcleos atómicos es un caso especial de la “fuerza fuerte”, una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza, y es extremadamente difícil de investigar porque actúa muy rápida y violentamente. Hace unos cincuenta años, se propuso estudiar las fuerzas fuertes lanzando protones unos contra otros a energías muy elevadas.
La aceleración de partículas a alta energía desacelera todos los procesos físicos porque, según la teoría de la relatividad de Einstein, el tiempo pasa más lento para los objetos de rápido movimiento. Debido a que los protones son los núcleos más simples, se esperaba que a alta energía, las fuerzas en acción durante la dispersión de protones podrían observarse y analizarse como en una película en cámara lenta, lo que ofrecería un entendimiento preciso de la fuerza fuerte.
Se construyeron varios centros de investigación de aceleradores grandes y la dispersión de partículas a altas energías reveló una estructura fascinante de la materia. Se descubrió que unas nuevas partículas, llamadas gluones, mediaban la fuerza fuerte. Su descubrimiento debería ofrecer indicios para tener un conocimiento más preciso de la fuerza fuerte.
A distancias cortas, los gluones crean una fuerza de atracción que es muy débil y bien entendida. Sin embargo, a distancias más lejanas, comparables al radio del protón, la fuerza se vuelve realmente poderosa, y un número muy grande de gluones se ven involucrados en la formación de estructuras complicadas que no se conocen muy bien en la actualidad. Por consiguiente, durante algún tiempo, no se pensó que las propiedades de la fuerza fuerte pudieran derivar directamente de las propiedades de los gluones.
En los últimos años, sin embargo, los experimentos con el acelerador HERA en Hamburgo, Alemania, han observado los efectos de la interacción fuerte en cámara lenta, lo que podría permitir empezar a tener un entendimiento de la fuerza fuerte. En el acelerador HERA se estudió la dispersión de los electrones en protones a las mayores energías jamás usadas en este tipo de experimento. amp#160;
La máquina HERA operó de 1992 a 2007. Uno de sus descubrimientos más importantes fue que varios fenómenos distintos observados a altas energías y distancias cortas se podían atribuir claramente a la emisión de gluones y la aparición de estructuras de gluones. Al observar cómo cambian estas estructuras mientras aumenta la distancia debería ser posible seguir –y por lo tanto entender- la acción de la fuerza fuerte.
No se esperaba la aparición de dichas estructuras gluónicas; los experimentos en el HERA no estaban concebidos para permitir su estudio. Sin embargo, los experimentos de precisión requeridos para medir la fuerza fuerte se pueden diseñar y construir con tecnología conocida. Por ello, dos grandes grupos de físicos –uno concentrado alrededor de los Laboratorios nacionales de Brookhaven y Jefferson en los Estados Unidos, y, el otro, en torno al CERN en Ginebra- están proponiendo reiniciar la investigación de las interacciones entre electrones y protones.
El estudio de estas interacciones debería ofrecer un entendimiento preciso de la fuerza fuerte. Además, como lo ha mostrado la historia de la física, una mejor comprensión de las fuerzas naturales abrirá nuevas posibilidades completamente inesperadas. Por ejemplo, lo que sabemos sobre la fuerza electromagnética, desarrollada principalmente en el siglo XIX y principios del XX, dio lugar a la impresionante evolución actual en el campo de las telecomunicaciones, las computadoras, la química y las ciencias sobre los materiales.
Un entendimiento preciso de la fuerza fuerte podría tener la misma importancia, lo que ofrecería nuevas maneras de usar los recursos de la energía nuclear y al mismo tiempo resolvería los problemas de seguridad y desperdicio nucleares.