La energía nuclear (también denominada energía atómica) es la energía que se libera de forma espontánea o inducida, en las reacciones nucleares. El término se emplea tanto para referirse al fenómeno físico en sí como al conjunto de conocimientos, técnicas y aplicaciones destinadas a su aprovechamiento, entre ellas la producción de energía eléctrica, térmica o energía mecánica.
Las reacciones nucleares ocurren en el núcleo atómico de ciertos isótopos de los elementos químicos. La más conocida es la fisión nuclear del uranio-235 (235U), utilizada en la mayoría de los reactores nucleares. En la naturaleza, la más frecuente es la fusión nuclear de deuterio y tritio (2H y 3H), proceso que alimenta la generación de energía en el interior de las estrellas.
Además del uranio-235, pueden emplearse otros isótopos como el torio-232 (232Th), el plutonio-239 (239Pu), el estroncio-90 (90Sr) o el polonio-210 (210Po), cada uno con aplicaciones y características específicas en el ámbito nuclear.
Existen varias disciplinas y técnicas que usan de base la energía atómica y van desde la generación de energía eléctrica en las centrales nucleares hasta las técnicas de análisis de datación arqueológica (arqueometría nuclear), la medicina nuclear usada en los hospitales, etc.
Los sistemas más investigados y trabajados para la obtención de energía aprovechable a partir de la energía nuclear de forma masiva son la fisión nuclear y la fusión nuclear. La energía atómica puede transformarse de forma descontrolada, dando lugar al armamento nuclear, o controlada en reactores nucleares en los que se produce energía eléctrica, mecánica o térmica. Tanto los materiales usados como el diseño de las instalaciones son completamente diferentes en cada caso.
Otra técnica, empleada principalmente en pilas de mucha duración para sistemas que requieren poco consumo eléctrico, es la utilización de generadores termoeléctricos de radioisótopos (GTR, o RTG en inglés), en los que se aprovechan los distintos modos de desintegración para generar electricidad en sistemas de termopares a partir del calor transferido por una fuente radiactiva.
La energía desprendida en esos procesos nucleares suele aparecer en forma de partículas subatómicas en movimiento. Esas partículas, al frenarse en la materia que las rodea, producen energía térmica. Esta energía térmica se transforma en energía mecánica utilizando motores de combustión externa, como las turbinas de vapor. Dicha energía mecánica puede ser empleada en el transporte, como por ejemplo en los buques nucleares.
La principal característica de este tipo de energía es la alta calidad de la energía que puede producirse por unidad de masa de material utilizado en comparación con cualquier otro tipo de energía conocida por el ser humano, pero sorprende la poca eficiencia del proceso, ya que se desaprovecha entre un 86 % y 92 % de la energía que se libera.
En las reacciones nucleares se suele liberar una grandísima cantidad de energía debido en parte a que la masa de partículas involucradas en este proceso se transforma directamente en energía. Lo anterior se suele explicar basándose en la relación masa-energía propuesta por el físico Albert Einstein.
En 1896 Henri Becquerel descubrió que algunos elementos químicos emitían radiaciones. Tanto él como Marie Curie y otros estudiaron sus propiedades, descubriendo que estas radiaciones eran diferentes de los ya conocidos rayos X y que poseían propiedades distintas, denominando a los tres tipos que consiguieron descubrir: alfa, beta y gamma.
Pronto se vio que todas ellas provenían del núcleo atómico que describió Ernest Rutherford en 1911.
Con el descubrimiento del neutrino, partícula descrita teóricamente en 1930 por Wolfgang Pauli pero no detectada hasta 1956 por Clyde Cowan y sus colaboradores, se pudo explicar la radiación beta.
En 1932 James Chadwick descubrió la existencia del neutrón que Pauli había predicho en 1930, e inmediatamente después Enrico Fermi descubrió que ciertas radiaciones emitidas en fenómenos no muy comunes de desintegración eran en realidad estos neutrones.
Durante los años 1930, Enrico Fermi y sus colaboradores bombardearon con neutrones más de 60 elementos, entre ellos 235Uranio, produciendo las primeras fisiones nucleares artificiales. En 1938, en Alemania, Lise Meitner, Otto Hahn y Fritz Strassmann verificaron los experimentos de Fermi y en 1939 demostraron que parte de los productos que aparecían al llevar a cabo estos experimentos con uranio eran núcleos de bario. Muy pronto llegaron a la conclusión de que eran resultado de la división de los núcleos del uranio. Se había llevado a cabo el descubrimiento de la fisión.
En Francia, Joliot Curie descubrió que además del bario, se emitían neutrones secundarios en esa reacción, haciendo factible la reacción en cadena.
También en 1932 Mark Oliphant teorizó sobre la fusión de núcleos ligeros (de hidrógeno), describiendo poco después Hans Bethe el funcionamiento de las estrellas, basándose en este mecanismo.
En física nuclear, la fisión es una reacción nuclear, lo que significa que tiene lugar en el núcleo atómico. La fisión ocurre cuando un núcleo pesado se divide en dos o más núcleos pequeños, además de algunos subproductos como neutrones libres, fotones (generalmente rayos gamma) y otros fragmentos del núcleo como partículas alfa (núcleos de helio) y beta (electrones y positrones de alta energía).
Durante la Segunda Guerra Mundial, el Departamento de Desarrollo de Armamento de la Alemania nazi desarrolló un proyecto de energía nuclear (Proyecto Uranio) con vistas a la producción de un artefacto explosivo nuclear. Albert Einstein, en 1939, firmó una carta al presidente estadounidense Franklin Delano Roosevelt, escrita por Leó Szilárd, en la que se prevenía sobre este hecho.