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FÍSICA · ENERGÍA Y NÚCLEOS ATÓMICOS

16 ejemplos de energía nuclear

Una central de fisión, el Sol y un generador de una sonda espacial liberan energía mediante procesos nucleares diferentes. Revisa sus aplicaciones y resuelve problemas de masa, energía, potencia y semivida.

La energía nuclear está asociada al estado y la composición de los núcleos atómicos

Puede liberarse en reacciones de fisión o fusión y en desintegraciones radiactivas. La interacción nuclear liga protones y neutrones; la energía de enlace es la energía necesaria para separar un núcleo en sus nucleones. Fuerza y energía son magnitudes distintas.

Los cálculos usan datos didácticos. Las aplicaciones muestran qué proceso libera energía y cómo se aprovecha, sin confundir producción de electricidad con otros usos de la radiación.

Fisión y fusión: del reactor al Sol

EJEMPLO 01

Una central transforma energía nuclear en electricidad

En una central de fisión con ciclo de vapor, la energía liberada en el reactor calienta un fluido. El vapor mueve una turbina acoplada al generador.

La turbina recibe energía del vapor y entrega trabajo de rotación.

El generador convierte ese trabajo en electricidad.

Resultado: Nuclear → térmica → mecánica → eléctrica

Condiciones: Una central hidroeléctrica también puede usar turbina y generador, pero aprovecha agua en movimiento: no necesita producir vapor para ese proceso.

EJEMPLO 02

Un reactor de agua a presión: PWR

En un PWR, el agua del circuito primario extrae energía del reactor y se mantiene líquida a presión elevada durante el funcionamiento normal.

En el generador de vapor transfiere calor a otro circuito.

El vapor del secundario se dirige a la turbina; ambos circuitos permanecen separados.

Resultado: El circuito primario transfiere calor al secundario

Condiciones: La separación se refiere a los circuitos de proceso de este diseño. No todos los reactores nucleares utilizan esta configuración.

EJEMPLO 03

Un reactor de agua en ebullición: BWR

En un BWR, parte del agua refrigerante hierve en la vasija y el vapor producido se conduce a la turbina.

Aquí no hay un generador de vapor intermedio como el del PWR.

El vapor se condensa y el agua retorna dentro del ciclo.

Resultado: El vapor se forma en la vasija del reactor

Condiciones: Esto no significa que no existan otros sistemas de refrigeración. Se describe la diferencia del circuito que alimenta la turbina.

EJEMPLO 04

El Sol libera energía mediante fusión

En el interior solar, una secuencia de reacciones convierte hidrógeno en helio-4. Parte de la diferencia de masa-energía aparece como energía liberada.

El núcleo de helio-4 contiene dos protones y dos neutrones.

La energía producida en el interior acaba contribuyendo a la radiación solar que llega al espacio.

Resultado: Núcleos de hidrógeno → helio-4 y energía

Condiciones: No se trata de una combustión química. El 4 de ⁴He indica el número de nucleones; el 2 es el número atómico, no el número másico del helio-4.

EJEMPLO 05

La fusión se estudia en laboratorios

La investigación busca obtener energía aprovechable mediante fusión de núcleos ligeros. Se estudian, entre otras vías, el confinamiento magnético y el inercial.

Importan las condiciones del plasma y cuánto tiempo conserva su energía.

Un resultado favorable en una parte del experimento no demuestra que toda la instalación entregue electricidad neta.

Resultado: Una reacción experimental no equivale a una central eléctrica

Condiciones: Se distingue energía de fusión, energía aportada al plasma y consumo del conjunto. No se presentan los experimentos como centrales comerciales equivalentes a las de fisión.

Radiactividad y aplicaciones

EJEMPLO 06

Un núcleo inestable se desintegra

Un radionúclido puede transformarse espontáneamente y liberar energía en forma de partículas y radiación, según el tipo de desintegración.

La energía puede transferirse al material que absorbe esas emisiones.

La desintegración radiactiva no necesita ser una reacción en cadena.

Resultado: Transformación nuclear → partículas y/o radiación

Condiciones: El núcleo resultante puede ser estable o volver a desintegrarse. No toda emisión radiactiva es gamma ni toda desintegración es fisión.

EJEMPLO 07

Un generador radioisotópico alimenta una sonda

Un generador termoeléctrico de radioisótopos, o RTG, aprovecha el calor de la desintegración radiactiva para producir electricidad.

Los termopares convierten una parte del flujo de calor en potencia eléctrica.

La energía restante se transfiere al entorno o participa en el control térmico.

Resultado: Desintegración → calor → electricidad

Condiciones: Un RTG no es un reactor de fisión en cadena ni necesita una turbina de vapor para generar electricidad.

EJEMPLO 08

Una fuente radioisotópica mantiene equipos calientes

Algunas misiones espaciales emplean unidades calefactoras radioisotópicas para mantener componentes dentro de su intervalo de temperatura.

La aplicación útil es térmica.

El calor se aprovecha sin tener que convertirlo antes en electricidad.

Resultado: Uso directo del calor de desintegración

Condiciones: Es una función distinta de la generación eléctrica de un RTG, aunque ambas se basen en desintegración radiactiva.

EJEMPLO 09

Un radiofármaco permite obtener una imagen

En ciertas pruebas de medicina nuclear, un radiofármaco emite radiación que un equipo detecta para formar imágenes de su distribución.

La señal procede de transformaciones nucleares del radionúclido.

La aplicación utiliza la radiación como información, no para alimentar eléctricamente el equipo.

Resultado: La radiación emitida aporta una señal detectable

Condiciones: Es una descripción física de una técnica profesional; la selección del radiofármaco y la prueba dependen de la indicación clínica.

EJEMPLO 10

Radiación gamma para esterilizar material

En instalaciones especializadas, la radiación gamma de fuentes como el cobalto-60 se utiliza para esterilizar determinados productos médicos.

La radiación deposita energía y provoca cambios que inactivan microorganismos.

Es un uso de energía emitida por una fuente radiactiva, sin una turbina como intermediaria.

Resultado: La energía depositada modifica microorganismos

Condiciones: También existen procesos con haces de electrones o rayos X; no toda esterilización por radiación utiliza una fuente radiactiva.

EJEMPLO 11

El combustible sigue liberando calor tras la parada

Después de detener un reactor, productos radiactivos del combustible siguen desintegrándose y liberando energía.

La potencia térmica residual disminuye con el tiempo.

El combustible necesita gestión térmica incluso cuando ya no genera la potencia de operación.

Resultado: Detener la reacción en cadena no elimina todo el calor

Condiciones: El calor residual depende de la historia del combustible y de los radionúclidos presentes. No equivale a que el reactor siga funcionando a su potencia anterior.

Cinco problemas resueltos

EJEMPLO 12

Convertir una energía expresada en MeV

Una transición nuclear libera 1 MeV de energía. Convierte ese valor a julios. Usa 1 eV = 1,602176634 × 10⁻¹⁹ J.

1 MeV = 10⁶ eV.

E = 10⁶ × 1,602176634 × 10⁻¹⁹ = 1,602176634 × 10⁻¹³ J.

Resultado: 1 MeV ≈ 1,602 × 10⁻¹³ J

Condiciones: El factor entre eV y J es exacto; el resultado abreviado está redondeado. MeV expresa energía, no una cantidad de material ni una dosis absorbida.

EJEMPLO 13

Relacionar una diferencia de masa con energía

En un proceso idealizado, la diferencia entre la masa inicial y la masa final en reposo es Δm = 1 × 10⁻¹² kg. Usa c ≈ 3 × 10⁸ m/s.

E = Δmc² = 1 × 10⁻¹² × (3 × 10⁸)².

E = 9 × 10⁴ J = 90 000 J = 90 kJ.

Resultado: Energía liberada ≈ 90 kJ

Condiciones: Δm es la diferencia de masa del balance completo, no toda la masa de un combustible. Se conserva la energía total; no se supone que cualquier material convierta toda su masa en energía aprovechable.

EJEMPLO 14

Distinguir potencia térmica y potencia eléctrica

Una central recibe 1 000 MW térmicos del reactor y entrega 330 MW eléctricos netos.

η = P eléctrica neta / P térmica = 330/1 000 = 0,33.

Potencia no entregada como electricidad neta: 1 000 − 330 = 670 MW.

Resultado: Rendimiento eléctrico = 33 %

Condiciones: Modelo estacionario sin otro producto útil. El resto acaba fundamentalmente como calor al entorno, incluidos los consumos internos. Las cifras son didácticas, no datos de una central concreta.

EJEMPLO 15

Calcular la electricidad de un día

Una central entrega una potencia eléctrica media neta de 330 MW durante 24 h.

E = P media × t = 330 × 24 = 7 920 MWh.

Como 1 MWh = 3,6 GJ, E = 28 512 GJ = 28,512 TJ.

Resultado: Energía eléctrica = 7 920 MWh

Condiciones: Se utiliza la potencia media real del intervalo, no necesariamente la nominal. Un MW es potencia; un MWh es energía.

EJEMPLO 16

Aplicar tres periodos de semidesintegración

Un radionúclido tiene una semivida de 2 h. Su actividad inicial es 800 Bq. Calcula la actividad de ese mismo radionúclido después de 6 h.

Número de semividas: n = 6/2 = 3.

A = A₀ × (1/2)³ = 800/8 = 100 Bq.

Resultado: Actividad final = 100 Bq

Condiciones: Modelo de una muestra sin nuevas aportaciones ni pérdidas físicas del radionúclido. No incluye la actividad de posibles descendientes. 1 Bq significa una desintegración por segundo en promedio, no un julio por segundo.

Balance de potencia del ejemplo 14De 1000 megavatios térmicos, se entregan 330 megavatios eléctricos netos. Los 670 restantes acaban como calor al entorno, sin otro producto útil. Rendimiento eléctrico: 33 por ciento.Ejemplo 14 · balance de potenciaEntrada térmica: 1 000 MWElectricidad neta: 330 MWResto hacia el entorno: 670 MW330 + 670 = 1 000 MW
Las barras comparten escala. Las dos salidas suman la entrada: no se suman las tres barras. Modelo estacionario sin otro producto útil; la electricidad indicada es neta, descontados los consumos internos.

Fórmulas, unidades y condiciones

En los ejercicios usamos c ≈ 3 × 10⁸ m/s. El becquerel, Bq, expresa desintegraciones por segundo; no indica por sí solo la potencia emitida ni la dosis que recibe una persona.

La fusión de ciertos núcleos ligeros y la fisión de ciertos núcleos pesados liberan energía cuando los productos tienen menor masa total en reposo. La curva de energía de enlace por nucleón ayuda a entender la tendencia, pero el balance de una reacción concreta debe calcularse: «todo lo que está por debajo del hierro libera energía al fusionarse» no es una regla universal.

En la notación nuclear, A cuenta protones más neutrones y Z cuenta protones. El helio-4 tiene A = 4 y Z = 2: su símbolo es ⁴He, o ⁴₂He si se escriben ambos números.

Fisión, fusión y desintegración: qué cambia

Fisión: un núcleo pesado se divide en núcleos menores. En la fisión inducida aquí descrita interviene un neutrón, no un electrón; también existe fisión espontánea. Pueden emitirse neutrones y radiación gamma. Los fragmentos producidos no tienen por qué ser estables y contribuyen al calor residual.

Reacción en cadena: algunos neutrones liberados causan nuevas fisiones. En un reactor, su continuidad y control dependen del balance de neutrones y del diseño completo. Una sola fisión y una reacción sostenida no son lo mismo.

Fusión: se unen núcleos. Como sus cargas positivas se repelen, obtener una tasa útil de reacciones exige condiciones apropiadas. En investigación importan la temperatura, la densidad y el confinamiento de la energía del plasma; no basta con enumerarlas para afirmar que una instalación produce electricidad neta.

Desintegración: un núcleo inestable cambia espontáneamente. Sus emisiones pueden aprovecharse directamente como radiación o transformarse en calor.

Las instalaciones cumplen funciones distintas

Una central eléctrica incluye uno o más reactores y sistemas para convertir energía térmica en electricidad. Hay reactores destinados a investigación que no funcionan como centrales eléctricas. También existen instalaciones de fabricación de combustible y de almacenamiento de materiales y residuos. Los dispositivos experimentales de fusión tienen objetivos y diseños distintos. Esta descripción no es una clasificación universal en cinco categorías excluyentes.

El OIEA y sus publicaciones

El Organismo Internacional de Energía Atómica (OIEA), creado en 1957, promueve usos pacíficos y seguros de la tecnología nuclear. Es una institución relacionada con estas aplicaciones, no un mecanismo de liberación de energía.

La serie Nuclear Power Reactors in the World (RDS-2) reúne información sobre reactores de potencia. Su primera edición apareció en septiembre de 1981. Cada edición tiene una fecha de referencia: sus cifras no deben presentarse como un recuento actual sin comprobarla.

Qué muestran las torres de la imagen

Cuatro torres de refrigeración con penachos blancos, junto a un camino y vegetación
Torres de refrigeración. El penacho blanco típico se forma al condensarse vapor de agua en pequeñas gotas; estas torres se utilizan en distintos tipos de instalaciones.

Dos afirmaciones que necesitan matices

CONTRASTE 01

Bajas emisiones de carbono no significa impacto nulo

Una central nuclear no quema combustible fósil para obtener la energía del reactor, pero requiere gestionar residuos radiactivos y considerar construcción, extracción de materiales y uso de agua.

La radiación y la contaminación radiactiva son conceptos distintos.

Una exposición no implica necesariamente material radiactivo depositado en un lugar.

Resultado: Generación sin combustión, con residuos y otras responsabilidades

Condiciones: Los efectos de una exposición dependen de la dosis y las condiciones. No es correcto afirmar que toda fuga sea fatal ni que el funcionamiento controlado elimine cualquier impacto.

CONTRASTE 02

Una reacción química no es una reacción nuclear

Al quemar un combustible, cambian enlaces y distribución de electrones. En una transformación nuclear cambia el estado o la composición del núcleo.

Ambos procesos respetan la conservación de la energía.

La escala energética por transformación suele ser mucho mayor en los procesos nucleares.

Resultado: Cambiar enlaces químicos no equivale a cambiar núcleos

Condiciones: No basta con que algo se caliente o emita luz para identificar un proceso nuclear. Un núcleo puede emitir gamma y cambiar de estado sin convertirse en otro elemento.

Seis ejercicios para practicar

  1. Convierte 2 MeV a julios con 1 eV ≈ 1,602 × 10⁻¹⁹ J.
  2. Una diferencia de masa Δm = 2 × 10⁻¹² kg se libera como energía. Usa c ≈ 3 × 10⁸ m/s.
  3. Una central entrega 400 MW eléctricos netos a partir de 1 200 MW térmicos. Calcula su rendimiento.
  4. Se entregan 300 MW eléctricos medios durante 3 h. ¿Qué energía se produce?
  5. Una actividad inicial de 80 Bq disminuye durante dos semividas. No hay nuevas aportaciones.
  6. En un modelo estacionario, entran 100 MW térmicos y salen 35 MW eléctricos netos, sin otro producto útil.
Ver soluciones explicadas
  1. E ≈ 2 × 10⁶ × 1,602 × 10⁻¹⁹ = 3,204 × 10⁻¹³ J.
  2. E ≈ 2 × 10⁻¹² × (3 × 10⁸)² = 180 000 J = 180 kJ.
  3. η = 400/1 200 = 1/3 ≈ 33,3 %.
  4. E = 300 × 3 = 900 MWh.
  5. A = 80/2² = 20 Bq para el radionúclido original.
  6. La potencia restante es 100 − 35 = 65 MW, que acaba como calor al entorno.

Errores frecuentes

Referencias

Selección y desarrollo: Editorial Ejemplode. Revisión: 7 de octubre de 2026.