INTRODUCCIÓN

Las reacciones químicas tradicionales ocurren como resultado de la interacción entre la valencia de electrones alrededor del núcleo del átomo. En 1896, Henri Becquerel, expandió el campo de la química para incluir los cambios nucleares cuando descubrió que el uranio emitía radiación. Poco después del descubrimiento de Becquerel, Marie Curie empezó a estudiar la radioactividad y completó en gran medida el primer trabajo sobre cambios nucleares. Curie descubrió que la radiación era proporcional a la cantidad de elementos radioactivos presentes, y propuso que la radiación era una propiedad de los átomos.

La energía nuclear es aquella que se libera como resultado de cualquier reacción nuclear. Puede obtenerse bien sea por fisión o por fusión. La fisión nuclear consiste en la división de un núcleo atómico en dos fragmentos de tamaño similar. Durante la fusión nuclear se combinan dos o más núcleos ligeros para formar un núcleo de mayor tamaño.

En comparación con las reacciones químicas, las reacciones nucleares comprenden cambios de energía enormes, esto se debe a la conversión de pequeñas cantidades de partículas nucleares en energía. Tal como lo estableció Albert Einstein la energía es igual al producto de la masa por la velocidad de la luz. Dado que el valor de la velocidad de la luz es muy elevado, una pequeña cantidad de masa se puede transformar en una enorme cantidad de energía.

ISÓTOPOS

El isótopo es una de las variedades de un átomo, que tiene el mismo número atómico, constituyendo el mismo elemento, pero que difieren en su número de masa. El número atómico es equivalente al número de protones en el núcleo, y el número de masa es la suma de protones y neutrones del núcleo. Los isótopos de un mismo elemento, sólo difieren entre ellos en el número de neutrones que contienen.

En la naturaleza se encuentran dos isótopos de hidrógeno, el hidrógeno normal o ligero y el hidrógeno pesado (deuterio). El tercer isótopo, el tritio, es radiactivo, con una vida media de 12,26 años. Aunque el tritio se conoce sobre todo por su papel en la fusión nuclear, también se usa como trazador para estudiar reacciones biológicas. El carbono tiene tres isótopos naturales: el carbono 12 constituye el 98,89% del carbono natural y sirve de patrón para la escala de masas atómicas; el carbono 13 es el único isótopo magnético del carbono, y se usa en estudios estructurales de compuestos que contienen este elemento; el carbono 14, producido por el bombardeo de nitrógeno con rayos cósmicos, es radiactivo (con una vida media de 5.760 años) y se emplea para datar objetos arqueológicos. (Ver Anexo # 1)

Para la notación de los isótopos se toma en cuenta el número de masa y el número atómico de los isótopos, estos se denotan por medio de un superíndice y un subíndice, respectivamente.

ISÓTOPO TRAZADOR:

Se utiliza para observar el movimiento de ciertos materiales en procesos químicos, biológicos o físicos. Este término se aplica comúnmente a cualquier isótopo radiactivo utilizado para seguir el curso de sustancias no radiactivas.

RADIOISÓTOPOS:

Los radioisótopos son isótopos inestables, o radiactivos, y emiten radiación espontáneamente. Muchos radioisótopos son producidos bombardeando blancos apropiados con neutrones, hoy fácilmente obtenibles dentro de reactores atómicos. Entre los isótopos más comunes están:

• Cesio 137 (Cs137): Es un elemento metálico químicamente reactivo, blanco y blando. Es un metal alcalino. El Cs emite más energía que el radio y se usa en investigaciones medicinales e industriales, por ejemplo como isótopo trazador Tiene una vida media de 30 años.

• Uranio 235 (U235): Después del descubrimiento de la fusión nuclear, el uranio se convirtió en un metal estratégico. Al principio, su uso estaba restringido a la producción de armas nucleares. En 1954, se lo empezó a utilizar enriquecido con el isótopo 235 para el desarrollo de plantas nucleares.

• Cobalto 60 (Co60): Es uno de los isótopos que se utiliza en la medicina. Fue un complemento muy importante de los Rayos X empleados en la clínica y también de las fuentes naturales de radiaciones, radio y radiomensorio. Presenta sobre estos últimos un cierto número de ventajas: el cobalto radiactivo puede ser obtenido en la cantidad necesaria para los fines terapéuticos y es barato y fácil de manejar, porque no produce sustancias gaseosas de desintegración.

• Yodo 131 (I131): El yodo es un elemento trazador muy versátil y se utiliza para determinar volumen sanguíneo, rendimiento cardíaco, volumen de plasma, actividad hepática, metabolismo de lípidos, metástasis cancerosa tiroidea, tumores cerebrales y el tamaño, configuración y actividad de la tiroides. Tiene una vida muy corta (vida media, ocho días).

• Carbono 14 (C14): se produce de manera continua en la atmósfera, cuando neutrones de alta energía del espacio, chocan contra el nitrógeno -14. También se produce por la activación de los átomos de nitrógeno del aire durante las detonaciones nucleares. Tiene una vida media de 5.760 años.

DECAIMIENTO RADIOACTIVO

En 1902, Frederick Soddy propuso la teoría que “la radioactividad es el resultado de un cambio natural de un isótopo de un elemento hacia un isótopo de un elemento diferente.” Las reacciones nucleares incluyen cambios en las partículas del núcleo de un átomo y por consiguiente causan un cambio en el átomo mismo. Todos los elementos más pesados que el bismuto (y algunos más livianos) exhiben una radioactividad natural y por consiguiente pueden decaer hacia elementos más livianos. Al contrario que las reacciones químicas normales que forman moléculas, las reacciones nucleares resultan en la transmutación de un elemento en un isótopo diferente o en un elemento diferente (ya que el número de protones de un átomo define el elemento, por lo tanto un cambio de un protón resulta en un cambio de un átomo). Hay tres tipos comunes de radiación y cambios nucleares, cada una de las cuales transforma al núcleo de distinta manera:

En las reacciones más complejas puede haber, simultáneamente, más de un tipo de decaimiento. En algunos casos, un tipo de núcleo radiactivo decae y forma otro, que a su vez decae y forma un tercer tipo, y así sucesivamente. La serie de decaimiento termina con la formación de un núcleo estable.

VIDA MEDIA

La vida media (T½) es la cantidad de tiempo necesario para que se desintegren la mitad de los átomos de una muestra. La vida media de un isótopo dado es siempre la misma; no depende de cuántos átomos se tengan o cuánto tiempo hayan estado allí (Ver Cuadro #1). Por ejemplo, el elemento radioactivo bismuto (210Bi) puede experimentar disminución alfa para formar el elemento talio (206Th) con una reacción de vida media igual a 5 días. Si se inicia un experimento comenzando con 100g de bismuto en un contenedor con la tapa cerrada, después de 5 días se tendrán 50g de bismuto y 50g de talio en la jarra. Después de otros 5 días (10 desde el principio), la ½  del bismuto restante disminuirá y quedarán 25g de bismuto y 75g de talio en la jarra. La reacción procede en mitades, con la mitad de lo que sobra del elemento radioactivo disminuirá su vida media en cada período (Ver Anexo #3). 

La fracción del material original que sobra después de la disminución radioactiva puede ser calculada usando la ecuación:

Fracción Sobrante = 1  donde n = # de vida media transcurrida
2n

La cantidad de material radioactivo que sobra después de un número dado de vida media es por consiguiente:

Cantidad Sobrante = Cantidad original - Fracción Sobrante

LA FISIÓN NUCLEAR

Son reacciones en las cuales un núcleo de un átomo se divide en partes más pequeñas, soltando una gran cantidad de energía en el proceso. Comúnmente esto ocurre al lanzar un neutrón en el núcleo de un átomo. La energía del neutrón en forma de bala provoca la división del blanco en dos (o más) elementos que son menos pesados que el átomo original. 

Durante la fisión de U235, 3 neutrones son soltados adicionalmente a los dos átomos resultantes. Si estos neutrones chocan con núcleos U235 vecinos, ellos pueden estimular la fisión de estos átomos y empezar una reacción en cadena nuclear autónoma (Ver Anexo #4). Para que se lleve a cabo una reacción en cadena, tiene que haber suficiente material fisionable para que algunos de los neutrones producidos puedan chocar con otros núcleos. Sin embargo, si la reacción en cadena se produce muy rápido, puede provocar una explosión con liberación simultánea de una cantidad enorme de energía, esto es lo que sucede cuando explota una bomba atómica. Si se puede controlar la velocidad de la fisión en cadena para que la energía se libere lentamente, el calor liberado durante esta reacción es recogido y usado para generar energía eléctrica. Esta reacción en cadena es la base del poder nuclear.

En el proceso de fisión que se muestra en el anexo #3 se observa que el núcleo de uranio 235 absorbe un neutron térmico, produciéndose un núcleo de uranio 236, este núcleo se fisiona y se separa en dos fragmentos, además se emite dos neutrones, estos fragmentos son de Xe-140 (Xenón) y de Sr-94 (Estroncio). La ecuación que describe este proceso, es una igualdad que representa la reacción nuclear, en el primer miembro se escriben los cuerpos que reaccionan y en el segundo los que se producen, el signo de la igualdad viene dado por una flecha cuya dirección indica el resultado obtenido:

235U + n ! 236U

236U ! 140 Xe + 94 Sr + 2n

La primera ecuación describe el proceso de absorción de un neutron por el núcleo de U-235 transformándose en U-236 y la segunda, la fisión del U-236 en Xenón, Estroncio y 2 neutrones. Los fragmentos de Xe-140 y Sr-94 son ambos muy inestables, llegando finalmente a productos estables por medio de la emisión de partículas beta.

La idea básica de la liberación de energía nuclear es simple, se colocan los núcleos atómicos próximos unos de otros, de manera que una reacción en cadena se desarrolle entre ellos, produciendo nuevos núcleos, cuyas masas son menores que los núcleos originales. Los nuevos núcleos se mueven con una energía que es igual a la masa que desapareció durante el cambio.

El 2 de diciembre de 1942, Enrico Fermi, un físico italiano, realizó con éxito una reacción de fisión en cadena sostenida y controlada. De acuerdo con un proceso semejante, en la actualidad se genera energía eléctrica en las plantas de energía nuclear mediante la fisión controlada de uranio. Un reactor nuclear es el equipo que se utiliza para obtener la energía de un combustible radiactivo.

LA FUSIÓN NUCLEAR

Son reacciones en las cuales dos o más elementos se fusionan para formar un elemento más grande, soltando energía en este proceso. Un buen ejemplo es la fusión de dos isótopos de hidrógeno pesado (deuterio: H2 y tritio: H3) en el elemento helio (Ver Anexo #5).

No todas las reacciones de fusión producen la misma energía, depende siempre de los núcleos que se unen y de los productos de la reacción. La reacción más fácil de conseguir es la mencionada anteriormente, liberando una energía de 17,6 MeV. Es una fuente de energía prácticamente inagotable, ya que el deuterio se encuentra en el agua de mar y el tritio es fácil de producir a partir del neutrón que escapa de la reacción.

Las reacciones de fusión liberan enormes cantidades de energía y son comúnmente referidas como reacciones termonucleares. Esto se debe a que el peso del núcleo pesado es menor que la suma de los pesos de los núcleos más ligeros. Este defecto de masa se transforma en energía, se relaciona mediante la fórmula E=mc2, aunque el defecto de masa es muy pequeño y la ganancia por átomo es muy pequeña, se ha de tener en cuenta que es una energía muy concentrada, en un gramo de materia hay millones de átomos, con lo que poca cantidad de combustible da mucha energía.  

Hay formas de conseguir la energía nuclear de fusión que se están experimentando actualmente:

• CONFINAMIENTO MAGNÉTICO: Se consigue crear y mantener la reacción gracias a grandes cargas magnéticas que hacen las veces de muros de contención de las cargas nucleares.

• CONFINAMIENTO INERCIAL: El calentamiento se consigue con láser y el confinamiento del plasma con la propia inercia de la materia.

La investigación actual se está inclinando más por el confinamiento magnético, habiéndose descubierto recientemente un nuevo método para mantener la reacción, cambiando el campo magnético de la forma cilíndrica a otra aproximadamente en forma de cuerno de toro.

La producción de energía por medio de fusión nuclear tiene otras ventajas potenciales sobre la energía que se produce por fisión nuclear. Como no se generan productos radiactivos, es más fácil eliminar los desechos. Además, el control de una reacción de fusión presenta menos dificultades. Sin embargo, cuando se fabrica un reactor de fusión se presenta un gran problema. Comparados con los núcleos de uranio, los núcleos de hidrógeno tienen menor tendencia a reaccionar. Por esta razón, se necesita una entrada inicial de mucha energía para que se inicie la fusión (se necesitarían 200 millones de kelvins para iniciar una reacción de fusión). Cualquier material utilizado para contener la reacción se fundiría a esa temperatura. La dificultad de iniciar y contener la fusión nuclear ha impedido que se utilice como una fuente de energía convencional.

Científicos de varios países investigan como fabricar reactores de fusión que sean factibles. El tokamak es un reactor sugerido originalmente por la antigua URSS. La cámara de confinamiento de un tokamak tiene forma toroidal, con un diámetro interior de aproximadamente 1 m y un diámetro exterior de alrededor de 3 m. En esta cámara se establece un campo magnético toroidal de unos 5 teslas mediante grandes electroimanes. Las bobinas que rodean la cámara inducen en el plasma una corriente longitudinal de varios millones de amperios. Las líneas de campo magnético resultantes son espirales dentro de la cámara, que confinan el plasma. Este tipo de reactor se puede operar hasta el punto de rupturas uniformes, donde se produce tanta energía como la que se requiere para que el reactor funcione. Sin embargo, como no se produce energía neta, el reactor no tiene utilidad (Ver Anexo #6).

INDUSTRIA ELÉCTRICA

La producción de electricidad en una central nuclear se obtiene gracias a un reactor nuclear; este consta de cuatro partes (Ver Anexo #7):

La reacción nuclear tiene lugar en el reactor, en él están las agrupaciones de varillas de combustible intercaladas con unas decenas de barras de control que están hechas de un material que absorbe los neutrones. Introduciendo estas barras de control más o menos se controla el ritmo de la fisión nuclear ajustándolo a las necesidades de generación de electricidad.

En las centrales nucleares habituales hay un circuito primario de agua en el que esta se calienta por la fisión del uranio. Este circuito forma un sistema cerrado en el que el agua circula bajo presión, para que permanezca líquida a pesar de que la temperatura que alcanza es de unos 293ºC.

Con el agua del circuito primario se calienta otro circuito de agua, llamado secundario. El agua de este circuito secundario se transforma en vapor a presión que es conducido a una turbina. El giro de la turbina mueve a un generador que es el que produce la corriente eléctrica.

Finalmente, el agua es enfriada en torres de enfriamiento.

Actualmente en Estados Unidos funcionan más de 100 plantas de energía nuclear que suministran casi 20% de toda la electricidad que se consume. En otros países operan muchas más plantas. Francia es uno de los países que obtiene el mayor porcentaje de su energía eléctrica de los reactores nucleares. Ahí, más del 70% de la electricidad proviene de los reactores de fisión nuclear (Ver Cuadro #2).

INDUSTRIA DE ALIMENTOS

En esta industria se aplica la tecnología de irradiación, que consiste en exponer los productos que se quieren tratar a la emisión de la radiación ionizante de una fuente, por ejemplo el radioisótopo Cobalto-60, para que estos absorban una cantidad de energía o dosis durante un tiempo determinado.

Los principales beneficios que permite esta tecnología para que los productos se conserven por un mayor tiempo son: la inhibición de brotes como en bulbos y tubérculos, la desinfección en alimentos eliminándoles la salmonela y otras bacterias patógenas, la desinfectación principalmente en granos y cereales eliminándoles insectos y parásitos. La Planta de Irradiación consta de un edificio construido con concreto armado, el cual contiene la Cámara de Irradiación y su acceso. En el centro de la Cámara queda ubicada la piscina de almacenamiento llena con agua desionizada dentro de la cual se encuentra el irradiador que contiene la fuente de Cobalto-60 cuya actividad inicial fue de 100,000 curies.

Cada vez que se quiere irradiar productos se eleva el irradiador mediante un sistema electromecánico controlado desde el panel de control; al emerger este de la piscina, irradia los productos que pasan a su alrededor por intermedio de un sistema de transporte automático. Los productos son cargados a este sistema de transporte en el ambiente contiguo denominado Sala de Procesos donde también queda ubicado el cuarto de control, desde donde se gobierna la operación segura de toda la planta.

OTROS USOS DE LA QUÍMICA NUCLEAR

Aparte de los usos en la industria eléctrica y alimenticia, la química nuclear se emplea en otros ámbitos:

ARMAS NUCLEARES

Las Armas nucleares son dispositivos explosivos, utilizados sobre todo por militares, que liberan energía nuclear a gran escala. Los explosivos nucleares ponen en juego la energía contenida en el núcleo del átomo. Aunque en un principio se pretendía que las bombas atómicas fuesen armas estratégicas transportadas por grandes bombarderos, en la actualidad las armas nucleares pueden utilizarse para diversos fines, tanto estratégicos como tácticos. No sólo se pueden lanzar desde diferentes tipos de avión, sino en cohetes o mísiles guiados con cabeza nuclear desde la tierra, el aire o bajo el agua.

Se distinguen generalmente dos tipos de armas nucleares según su uso:

Las bombas nucleares, según su funcionamiento, se dividen en los siguientes tipos:

Una Bomba Nuclear comprende los siguientes mecanismos:

• DETONADOR DE URANIO: La masa total se divide en dos partes, una mayor de forma semiesférica y cóncava que se acopla perfectamente con la otra más pequeña. Como es de suponer, ambas se encuentran separadas hasta el momento de la detonación, en el que una explosión convencional dispara la parte pequeña que impacta contra la mayor para lograr en un instante la masa supercrítica.

• DETONADOR DE PLUTONIO: Necesita una precisión de ingeniería mucho mayor que la anterior, ya que está compuesta de 32 secciones de plutonio-berilio-polonio, todas de igual forma y posición distribuidas concéntricamente. El aspecto final es parecido al de un balón de fútbol. Todas han de cerrarse simétricamente en una diezmillonésima de segundo para conseguir la detonación.

El uso de bombas nucleares tiene como consecuencias efectos muy dañinos, tanto para el ser humano como para el planeta, entre ellos están: la radiación nuclear, que comprende los rayos alfa, beta y gamma. El pulso electromagnético producido por la intensa actividad de los rayos gamma que genera mediante inducción una corriente de alto voltaje destruyendo todas las instalaciones eléctricas de una amplia zona. Pulso térmico, al expandirse la bola de fuego el aire circundante absorbe energía en forma de rayos X y la irradia en forma de una luz cegadora y un intensísimo calor. Onda de choque, La rápida expansión de la bola de fuego genera una onda de choque como cualquier explosión, pero de una potencia muy superior, ya que puede aplastar o barrer edificios dañándolos muy seriamente o destruyéndolos. Luego se produciría la primera lluvia radioactiva.

CONCLUSIÓN

El hombre ha descubierto una nueva fuente de energía: la nuclear.

Todos los países se han esforzado en contribuir a su aplicación pacífica y, como consecuencia de este trabajo conjunto, se han desarrollado las centrales nucleares para la producción de energía eléctrica. Gracias a este esfuerzo de colaboración que se inició en los años cincuenta, la humanidad se ha encontrado con que dispone ahora de una nueva fuente de energía prácticamente ilimitada que le permite hacer frente a los problemas que están planteando los combustibles convencionales, reduciendo su utilización a los fines para los que resultan insustituibles y evitando su consumo en la producción de energía eléctrica. Durante este tiempo, se ha podido demostrar que las centrales nucleares producen energía eléctrica de una forma fiable, segura y económica.

Las investigaciones para lograr la energía de fusión se vienen realizando en los países más avanzados del mundo, pero aún no se la puede considerar una solución inmediata para el problema energético.

Con lo expuesto anteriormente, se decir que la producción de energía atómica ha “madurado” técnica, científicamente y en lo que se refiere a la seguridad para los operarios de estas centrales, para el resto de las personas y para el medio ambiente, lo suficiente como para que sea posible usarla en reemplazo de las energías generadas por la quema de combustibles fósiles. Esto seria una gran ayuda para nuestro planeta.

BIBLIOGRAFÍA

Brown, T y Lemay, H. Química, la ciencia central. Editorial Prentice Hall. p. 771 - 801.

Phillips. Strozak. y Wistrom. Química, concepto y aplicaciones. Editorial Mc Graw Hill. México. p. 743 - 779.