“EN BUSCA DE LOS ELEMENTOS QUÍMICOS”

EL URANIO

ÍNDICE

Uranio

Símbolo: U
Clasificación: Metales de transición  Grupo 3   Actínidos  Tierras raras  Serie de elementos Actínidos

Número Atómico: 92
Masa Atómica: 238,029
Número de protones/electrones: 92
Número de neutrones (Isótopo 238-U): 146
Estructura electrónica: [Rn] 5f3 6d1 7s2
Electrones en los niveles de energía: 2, 8, 18, 32, 21, 9, 2
Números de oxidación: +3, +4, +5, +6

Electronegatividad: 1,38
Energía de ionización (kJ.mol-1): 584
Afinidad electrónica (kJ.mol-1):
Radio atómico (pm): 138
Radio iónico (pm) (carga del ion): 103(+3), 97(+4), 89(+5), 80(+6)

Entalpía de fusión (kJ.mol-1): 15,5
Entalpía de vaporización (kJ.mol-1): 422,6

Punto de Fusión (ºC): 1135
Punto de Ebullición (ºC): 4131
Densidad (kg/m3): 18950; (20 ºC)
Volumen atómico (cm3/mol): 12,56
Estructura cristalina: Ortorrómbica
Color: Plateado

1. ORIGEN

El origen del uranio, el elemento natural de mayor número atómico, no es bien conocido. No obstante se supone que es un producto de la desintegración de elementos con peso atómico más alto, que pueden haber estado presentes en la tierra o en cualquier otra parte del universo y que se habrían formado en procesos estelares como la explosión de supernovas o el mismo Big Bang.

Es un elemento menos escaso de lo que se pensó en un principio. Es más abundante que el mercurio, que el antimonio, la plata o el cadmio, siendo su presencia en la naturaleza parecida a la del molibdeno o el arsénico. Nunca se encuentra en estado libre sino como óxido o sal compleja en minerales tales como la plechbenda, la carnotita, la uraninita, en las arenas de monacita, en las rocas ígneas y en el lignito, pudiendo recuperarse comercialmente desde todas esas fuentes.

Los minerales de uranio se distribuyen ampliamente en todo el mundo. Los depósitos de plechbenda, el mineral más rico en uranio, se encuentran principalmente en Canadá, Zaire y Estados Unidos, aunque en este último se extrae principalmente de la carnotita. La producción mundial de concentrado puro de uranio está en torno a las 30.000 toneladas anuales.

Está compuesto por dieciséis isótopos distintos, de los cuales todos son radiactivos. El uranio natural está compuesto de 99,28305% en peso de U-238, 0,7110 % de U-235 y 0,0054 % de U-234. Un isótopo es una variación de un átomo de cualquier elemento que contiene distintas cantidades de neutrones en su núcleo y esto le confiere diferentes propiedades.

En cualquier material, encontraremos juntos átomos compuestos de diferentes isótopos. En el caso del uranio, a pesar de que todos sus isótopos son radiactivos, el isótopo U-235 es mucho más radioactivo que el isótopo U-238. Por esta razón, una sustancia con una proporción mayor de U-235 emite radiación de alto nivel, mientras que una donde hay muy poco o ningún U-235 se le considera una sustancia con radiación de nivel bajo.

2. DESCUBRIMIENTO

El mundo que nos rodea y nosotros mismos poseemos una estructura basada en las fuerzas electromagnéticas. La estructura y la dinámica de los seres vivos y de la materia en general se basa en la interacción de estas fuerzas actuando bajo la presencia general de la fuerza gravitatoria. Hasta principios de este siglo, la humanidad sólo conocía estas dos fuerzas. El fuego, la química, el desarrollo industrial se basan también en el uso de las fuerzas electromagnéticas (centrales térmicas, hidroeléctricas, etc.). Ayudados por la tecnología descubrimos dos nuevas fuerzas no tan evidentes en la vida diaria: las hadrónicas (fuertes o nucleares) y las débiles (decaimiento radioactivo de rayos ß ).

A comienzos de 1890, de acuerdo con la “Teoría Atómica de DALTON”, se concebía a la materia como constituida por partículas indivisibles denominadas átomos. Se pensaba que no existía nada más pequeño que el átomo. Los experimentos realizados por FARADAY señalaban la existencia de un fluido denominado “Electricidad”, del cual no se conocía su naturaleza. Además se sabía que la materia podía tener cargas eléctricas de diferente signo. Entonces THOMSON estudiando el fenómeno de la electricidad, descubre una partícula más pequeña que el átomo, a la que llama “electrón”.

Trabajos realizados por ROENTGEN haciendo circular la corriente eléctrica por tubos a los que previamente se le efectuaba el vacío, descubrió la existencia de una radiación desconocida a la que denominó “Rayos X”. Su comunicación oficial en la Academia de Ciencias de Francia, originó que otro investigador, BECQUEREL, buscando la existencia de esos “rayos” en piedras minerales descubriera el fenómeno que posteriormente se denominó “Radioactividad”. Los esposos CURIE individualizan al elemento químico “Uranio”, como responsable de ese fenómeno. Posteriormente descubren otros elementos radioactivos como el “Radio” y el “Polonio”. Los estudios de BECQUEREL de la radioactividad, señalaron que la misma estaba constituida por partículas que eran más pequeñas que los átomos. Posteriormente RUTHERFORD las identificó como radiación “Alfa”, “Beta” y “Gamma”.

En síntesis, la existencia del electrón, las cargas en la materia y las partículas que eran emitidas por átomos radioactivos al desintegrarse, invalidaron el concepto de la indivisibilidad de los átomos sostenido por DALTON en su teoría atómica. Ahora se tenía la certeza de que el átomo estaba constituido por partículas mas pequeñas y que por lo tanto debía de tener una organización o estructura dada. En 1914, RUTHERFORD investiga la estructura del átomo bombardeando láminas muy finas de oro con partículas Alfa. Descubre así el "Núcleo Atómico".

Se presenta el primer "Modelo Atómico" que permite explicar muchas de las observaciones realizadas experimentalmente. Este modelo del átomo, concentra toda la masa y la carga positiva en el “Núcleo”. Los electrones neutralizan esa carga positiva, y están en el átomo en estados cuánticos estacionarios. La situación de estos electrones no tiene una representación intuitiva en el mundo macroscópico. La imagen más cercana es la de una especie de nube, como si el electrón se comportara de manera similar a un gas. Hay zonas más densas y zonas más débiles que se relacionan con una probabilidad mayor o menor de encontrarlo (ver figura 1).

Figura 1: "Orbitales" del electrón. Se ha marcado con rojo el lugar donde estaría el núcleo de los volúmenes coloreados indican que existe una alta probabilidad de que el electrón se detecte en esas zonas

Estudiando los núcleos atómicos es que en 1918 se logra la primer “transmutación nuclear” hecha por el hombre, al convertir átomos de nitrógeno en oxígeno. Como en esta transmutación se emite un “Protón”, es decir un núcleo de átomo de hidrógeno, se confirmó que la carga positiva del núcleo se debe a los protones que contiene el mismo. En 1932 CHADWICK completa la estructura del núcleo, al descubrir el otro componente del mismo que denomina “neutrón”. El neutrón tiene la misma masa que el protón, pero no tiene carga.

 El neutrón es una partícula que mantiene unidos los protones en los núcleos, a pesar de las enormes fuerzas de repulsión que generan sus cargas positivas. Sin los neutrones, actuando como “aglomerantes”, las fuerzas de repulsión eléctricas llevarían a la desintegración espontánea de los núcleos atómicos. En realidad tanto los neutrones  como los protones generan una fuerza atractiva que mantiene unido a los nucleones (protones y neutrones) pero, sin los neutrones el núcleo sería inestable. Cada uno de los elementos químicos de la naturaleza, se corresponde con un número definido de cargas positivas en sus núcleos, o sea un número fijo de protones. Es así que el Hidrógeno tiene 1 protón, el Helio 2, el Litio 3, el Hierro 26 y el Uranio 92 protones.

Átomos de un mismo elemento que difieren en la cantidad de neutrones, se denominan “Isótopos”. En la naturaleza existen isótopos de elementos que son estables y otros que son inestables. La mayoría de los isótopos inestables, se desintegran espontáneamente a través del fenómeno de la radioactividad, por lo cual se los denominan “radioisótopos” o “isótopos radioactivos”. Los fenómenos de desintegración son fenómenos estadísticos, es decir no podemos precisar en que momento va a ocurrir una desintegración de un átomo en particular. Cuando se tiene una cantidad grande de isótopos La cantidad de neutrones que contienen los núcleos de esos elementos, modifican su peso pero no su identidad, es decir no modifican su característica química. Por ejemplo existen naturalmente átomos de nitrógeno que pesan 14 y otros que pesan 15, debido a que ambos tienen 7 protones pero el primero tiene 7 neutrones y el segundo 8. Estos dos nitrógenos son químicamente iguales pero nuclearmente no y como ya dijimos sus propiedades físicas cambian, por ejemplo a igual presión y temperatura, un litro de Nitrógeno 14 pesa 6,6% menos que un litro de Nitrógeno 15.

Resumiendo se podría decir que la materia ordinaria se compone de moléculas (agua, alcohol, anhídrido carbónico), éstas a su vez están constituidas por átomos (hidrógeno, oxígeno, carbono, cobre, hierro) y los átomos poseen un núcleo de protones y neutrones envuelto por una ”nube”  de electrones. Los protones poseen una carga eléctrica positiva, los electrones  (1800 veces más livianos) poseen una carga negativa y los neutrones, como su nombre lo indica son neutros y tienen una masa similar a los protones. Generalmente, el número  de protones  y electrones, por átomo, es el mismo, es decir el átomo tiene una carga total cero. Los protones y neutrones ocupan un pequeño lugar en el centro del átomo, ese lugar se lo denomina núcleo, los electrones se ubican alrededor del núcleo. Cuando un átomo pierde o gana uno o varios electrones se lo denomina ión. Una llama es un buen ejemplo de átomos que han perdido electrones. Se dice que los átomos se han ionizado. En realidad un simple roce basta para ionizar ciertos materiales (por ejemplo una regla de plástico).

Figura 2: Los neutrones "ayudan" a mantener unidos a los protones para formar los núcleos atómicos

Los electrones son los responsables de la unión de los átomos en moléculas u otras estructuras complejas (por ejemplo sólidos cristalinos). Debido a la carga eléctrica, los protones se repelen entre sí. Para que pueda existir el núcleo atómico se requiere de una fuerza adicional que los “pegue”. Esa es justamente la fuerza hadrónica o nuclear. Sin embargo no es suficiente con la fuerza nuclear aportada por  los protones, necesitan además de un conjunto adicional de neutrones que contribuyan con su propia fuerza hadrónica. Los neutrones son entonces el “pegamento” adicional necesario para dar estabilidad a los núcleos (ver figura 2).

El  número de protones (Z) identifica al  elemento  (hidrógeno, oxígeno, uranio, plutonio), el número total  de  nucleones,   A = protones + neutrones identifica al isótopo: Oxígeno con A=16, Oxígeno con A=17, Oxígeno con A=18, Carbono con A=12, Carbono con A=13, Carbono con A=14 , Uranio con A=235, Uranio con A=238 . El número de protones  está  relacionado con la química de los elementos y el número total de los nucleones (A) con la física de los isótopos.

Sin embargo, para núcleos muy pesados como el uranio ya no es suficiente con los neutrones para lograr la estabilidad del núcleo y el núcleo se vuelve inestable, pudiéndose partir en dos (fisión nuclear ) con la emisión de algunos neutrones. (Figura 3). Durante el proceso de fisión del núcleo se libera una importante cantidad de energía. Comparada con la energía química es por lo menos 1.000.000 de veces superior. En 1938, Hahn bombardeó átomos de uranio con neutrones y logró inducir la  fisión de los mismos. A partir de ese evento y en pocos años, se adquirió un nivel de conocimientos en el área nuclear que la transformó en una herramienta útil para la sociedad. El control de la fisión inducida en el isótopo del uranio U-235, condujo a aplicaciones tecnológicas en el campo de la generación de la energía eléctrica y en la producción de isótopos radioactivos, éstos últimos en cantidades necesarias para su uso en aplicaciones médicas, agropecuarias, industriales, etc.

Figura 3: Los fragmentos de fisión del Uranio se repelan alcanzando una gran energía cinética. Al frenarse entregan esa energía, calentando el material en el cual se frenan. Esta es la fuente energética de las centrales nucleares de potencia

Existen también núcleos que son inestables y que alcanzan la estabilidad mediante emisión de algún tipo de radiación. La más común es la emisión ß. En este, caso dentro del núcleo, un neutrón (protón) se convierte en un protón (neutrón) emitiendo un electrón (positrón) y un antineutrino (neutrino). (Ver figura 4).

Figura 4: Transmutación de un neutrón en un protón generando un electrón de alta energía (radiación ) y un antineutrino

Otro tipo de inestabilidad se caracteriza por la emisión de una partícula
. Esta partícula es un átomo de helio despojado de la nube electrónica. (Ver figura 5).

Figura 5: En los núcleos con muchos nucleones se forman núcleos de helio que terminan siendo eyectado a gran energía generando lo que se conoce como radiación

El núcleo puede además estar excitado, por ejemplo vibrando como una gota de agua. Para “tranquilizarse” emite radiación
(electromagnética). (Ver figura 6).

Figura 6: Los núcleos excitados se "tranquilizan" emitiendo radiación electromagnética de alta energía conocido como radiación gamma

Esta radiación electromagnética es de mayor energía que los rayos X y suele acompañar la emisión ß, la emisión
y la fisión nuclear.

Con esto hemos recorrido las principales manifestaciones de la radioactividad nuclear. Algunos de estos núcleos radioactivos están presentes en la naturaleza, por ejemplo el 40K (promedio de vida: 1280 millones de años) en el suelo y paredes, el 238U (promedio de vida: 4468 millones de años), 235U (promedio de vida: 704 millones de años) en yacimientos mineros. Otros sólo existen si son creados por el hombre. Cada vez que un núcleo emite una radiación tiene dos posibilidades:

quedar estabilizado (estable)

convertirse en otro núcleo inestable (radioactivo)

En el primer caso ya no emitirá más radiación, en el segundo pueden aparecer, nuevamente, algunos de los procesos de emisión radioactiva ya enumerados (
, ß,
, fisión).

Dado un conjunto de núcleos inestables (población radioactiva=fuente radioactiva) estos irán decayendo en otra especie nuclear (estable o también inestable) a un ritmo característico del "radionucleido" (núcleo radioactivo).

El tiempo en el cual la mitad de la población emitió su radiación, se denomina "período de semidesintegración" T 1/2 del radionucleido. Los períodos (T1/2) van desde la fracción del segundo hasta miles de millones de años: (Ver figura 7)

Figura 7: Vasija conteniendo 50 átomos radiactivos luego de un período de desintegración, característico de cada especie radiactiva sólo sobreviven aproximadamente la mitad.

En la naturaleza se crean y se han creado todo tipo de radionucleido (algunos de vida media muy corta y otros de vida media muy larga). Sólo estos últimos han sobrevivido en la Tierra y aún puede observarse su decaimiento radiactivo. Las máquinas típicas para "producir" radionucleidos son reactores y aceleradores nucleares. (Figura 8).

Figura 8: Relación entre las máquinas  nucleares  y  las actividades nucleares.

Como ya vimos los núcleos contienen protones con carga positiva. Si se trata de agregar protones al núcleo, un núcleo "cargado" de este se bombardea con protones que deben estar suficientemente acelerado para superar la repulsión de la carga eléctrica de los protones del núcleo e incorporarse mediante la acción de las fuerzas nucleares de corto alcance. Es más simple incorporar neutrones al núcleo pues estos no poseen carga eléctrica. Sin embargo se requiere una gran cantidad de neutrones para que esto ocurra. Se consigue generar un alto número de neutrones utilizando reactores nucleares de experimentación. De los Reactores también puede extraerse potencia para generar energía eléctrica. En nuestro país existen dos Centrales Nucleares funcionando que han aportado hasta el presente entre el 8 y el 17% de las necesidades del mercado eléctrico. Finalmente, pero no menos importante, los aceleradores y reactores nucleares permiten fabricar radioisótopos de amplia aplicación en medicina, agropecuarias e industria y medioambiente.

El control general de la seguridad nuclear descansa en la Autoridad Regulatoria Nuclear. Desde allí se regula la actividad relacionada con el manipuleo de elementos radioactivos y el trabajo en las instalaciones nucleares públicas y privadas. También se establecen las normas de trabajo, transporte y operación.

En esta breve síntesis hemos expuesto algunas características muy generales de la ciencia y tecnología nuclear. Queremos resaltar aspectos muy importantes que se derivan de la actividad nuclear. Uno de ellos está relacionado con la toma de conciencia que el Universo y todos los núcleos tienen su origen en interacciones nucleares. Desde la gran explosión inicial (big-bang) hasta la formación de estrellas se originan en la acción de fuerzas nucleares. La luz y energía provista por el sol proviene de reacciones de fusión nuclear. El calor interno de la Tierra es alimentado por la energía liberada por isótopos radiactivos principalmente sodio y uranio. La mayoría de los elementos se sintetizaron en reacciones nucleares producidas en supernovas, dispersados en el espacio interestelar y recogidos por nuestro sol al ir formando el sistema planetario.

El hombre comenzó a dominar las fuerzas nucleares utilizándolas en la industria, la medicina y la generación de energía pero especificaremos más sobre este tema en el apartado de aplicaciones. Como en cualquier otra actividad humana se producen residuos, que, en este caso, son radiactivos. Afortunadamente la industria nuclear nació asociada a la investigación científica y la gestión de residuos radiactivos se realiza con pautas de calidad científica.

           

Estos residuos, se pueden clasificar según su actividad:

            Baja    (medicina, industria, investigación)

            Media (medicina, industria)

            Alta     (energía)

El tratamiento de los residuos es un tema muy complejo con implicancia políticas, sociales y económicas. El problema principal se relaciona con el destino final de los residuos de alta actividad provenientes de las centrales nucleares de energía. Contrariamente a lo que sucede con los residuos de centrales térmicas convencionales que se dispersan en el medio ambiente, los residuos nucleares pueden ser almacenados a la espera de su eliminación. Actualmente se han iniciado estudios para destruir parcialmente esos residuos con aceleradores nucleares. Con estos aceleradores se pueden estudiar el interior de los núcleos y también se los puede transmutar. Las transmutaciones inducidas por las máquinas aceleradoras podrían permitir en el futuro la eliminación de los residuos de alta actividad nuclear.

Para concluir el capitulo decimos que el uranio fue descubierto como óxido en 1.789 en la pechblenda por el químico alemán Martin Heinrich Klaproth, quien le puso el nombre por el planeta Urano.

Uranio empobrecido

El uranio empobrecido es un subproducto del proceso de enriquecimiento del uranio (aumento de la concentración de U-235, el isótopo fisible) en la industria de la energía nuclear, por el cual se extrae prácticamente todo el isótopo radiactivo U-234 y alrededor de dos tercios del U-235. Por consiguiente, el uranio empobrecido está compuesto casi en su totalidad por U-238 y su radiactividad es aproximadamente el 60% de la del uranio natural. El uranio empobrecido también puede contener trazas de otros isótopos radiactivos introducidas durante su procesamiento.

El uranio empobrecido se comporta, química, física y toxicológicamente de la misma manera que la forma metálica del uranio natural. Las partículas finas de ambos metales se inflaman fácilmente, produciendo óxidos.

Usos del uranio empobrecido

Entre los usos pacíficos del uranio empobrecido figura la fabricación de contrapesos para aeronaves, y de blindajes contra radiaciones para los servicios médicos de radioterapia y el transporte de isótopos radiactivos.

El uranio empobrecido se utiliza en el blindaje de tanques pesados y la fabricación de municiones antitanque, misiles y proyectiles debido a su alta densidad y alto punto de fusión y a su disponibilidad. Las armas con uranio empobrecido se consideran armas convencionales y las fuerzas armadas las utilizan libremente.

3. HISTORIA

El descubrimiento de la energía nuclear fue realizado por Henri Becquerel en París en el año de 1896, siendo este descubrimiento realizado al notar que el uranio revelaba las placas de película sin ninguna acción externa por que dedujo de emitían radiaciones al igual que los rayos X. De aquí la carrera extraordinaria de Pierre y Marie Curie quien por su descubrimiento compartieron el Premio Nobel con Becquerel. Los Curie realizaron experimentos mas a fondo y en el año de 1898 descubrieron el bario y polonio los elementos más radiactivos entonces conocidos. Marie gano otro Premio Nobel la única mujeres laureada por este en dos ocasiones. Aun dicho descubrimiento cobro su propio precio el que no solo Marie Curie sino su hija y yerno murieran por los efectos de la radiactividad.

Henri Becquerel se encontraba trabajando con en Francia con sulfato de potasio y uranilo, un compuestos del elemento uranio, para ver si generaba rayos X bajo la acción de la luz solar. Un día que el sol no lucia, Becquerel puso por casualidad el compuesto sobre una placa de fotografía envuelta, y la dejo en un cajón. Más tarde se le ocurrió revelar la placa, y con gran sorpresa hallo en ella una imagen negra, la silueta del trozo de sal de uranio. Algo del compuesto alguna forma de energía radiante debió atravesar la envoltura de la placa, impresionándola al igual que lo hace la luz del sol. Dos meses después del descubrimiento de los Rayos X, esta potente energía que al parecer emanaba del corazón de un material sólido, presentaba nuevos problemas. Todavía se preguntaba de donde procedía la energía.

Becquerel propuso a sus amigos, Pierre Curie y a su esposa Marie que investigasen mas a fondo el misterio. Comenzaron a investigar las propiedades del mineral de uranio, llamada pechblenda, y pronto descubrieron que además del mineral del uranio, había otras substancias que emitían radiación con mucha mayor intensidad que el uranio.

Emprendieron la separación de tal sustancia, y al cabo de dos años de arduos trabajos en un mísero barrancón, los Curie consiguieron revelar al mundo no sino dos elementos completamente nuevos que emitían una extraña energía. Uno, como todo el mundo sabe, era el Radio; el otro recibió el nombre de polonio, en honor al país natal de Mme Curie.

Debemos recordar que el premio lo recibió Marie Curie ya que en si el trabajo lo realizo casi todo ella, debido a que en la época resultaba difícil realizar trabajos de investigación y menos realizados por una mujer mientras Pierre trabajaba dando clases en la Sorbona de París, Marie realizaba todo el trabajo durante el día siendo en ocasiones faenas de dura carga, aun de los costales que contenían el mineral del cual era extraído en mínimas cantidades solo lo necesario para realizar sus investigaciones, trabajando en condiciones de seguridad e higiene que en la actualidad ningún obrero realizaría, sus trabajos sobre la radiactividad en varias ocasiones minaron la salud de Marie Curie, su labor se vio afectada no solo por la cantidad de trabajo físico, sino que además aunado al intelectual, y moral que realizaba, en el laboratorio ya que la sociedad Científica de la época ejercía una enorme presión el matrimonio, criticándolo fuertemente

De esta forma el trabajo realizado por una mujer tenaz y deseosa no solo de sobresalir, como tal sino con el afán de demostrar que amaba a la ciencia nos trajo una enorme plataforma bien cimentada, la del trabajo de investigación sobre la radiactividad, siendo esta una de las personas que mas cooperaron en bien de la humanidad.

4. APLICACIONES

LA ENERGÍA NUCLEAR

La energía nuclear se obtiene mediante la fusión nuclear, así como también mediante la fisión nuclear. La primera está en investigación, y se obtiene en laboratorios, ya que se emplea más energía en la obtención que la obtenida mediante este proceso, y por ello, todavía no es viable. La fisión es la que se emplea actualmente en las centrales nucleares.

El proceso de fisión nuclear es muy peligroso. Se genera tanta energía que puede producirse una explosión, tal como ocurre en una bomba atómica. En una central nuclear, la fisión se controla para que la energía generada no provoque explosiones.

La energía nuclear la consiguió por primera vez el científico italiano Enrico Fermi en 1942. Fermi construyó el primer reactor nuclear. En el se usaba uranio para producir calor. Este tipo de reactor se emplea solamente en las centrales nucleares de energía eléctrica.

La energía que mantiene unidos los átomos de una molécula es mucho menor que la energía que une los protones y neutrones del núcleo de un átomo. Existen reacciones químicas mediante las cuales es posible liberar la energía de las moléculas, y existen reacciones nucleares que logran liberar la energía de los núcleos. Dada la distinta naturaleza del enlace químico y del enlace nuclear, una reacción nuclear desarrolla una cantidad de energía incomparablemente mayor que una reacción química. La energía liberada por una reacción nuclear es varios millones de veces mayor que la liberada por una reacción química.

La energía producida por la fisión de 1 kg. de uranio-235, es equivalente a la energía que se puede obtener de la combustión de 2 400 toneladas de carbón. El desarrollo de energía va acompañado de una desaparición de masa, según una ley de equivalencia entre masa y energía descubierta por Albert Einstein, la famosa fórmula E=MC2, donde E es la Energía liberada, M la diferencia de masa o incremento, y C es la velocidad de la luz. Esta ecuación significa que la masa se puede transformar en Energía y al revés, la energía en masa. Según esta fórmula, cuando en un proceso se pierde masa, esta no desaparece sin más, se transforma en energía, según la fórmula anterior. Según dicha fórmula, una pequeña cantidad de masa, libera gran cantidad de energía, pues la velocidad de la luz al cuadrado es: 90.000.000.000.000.000, que al multiplicarlo por la masa, resulta una energía grande en comparación con la masa transformada. Por ejemplo, si se transforma un miligramo de masa en energía, tenemos que la Energía liberada es:

E = 0.000001Kg x 90.000.000.000.000.000 = 90.000.000.000 julios = 90 giga julios.

Para hacerse una idea de la energía desprendida, supongamos que tenemos un reactor nuclear que es capaz de transformar un miligramo de masa en energía en una hora, y que se aprovecha toda la energía. Pues bien, la potencia sería W=E / T, donde E es la Energía y T el tiempo. Una hora son 3.600 segundos, luego W = 90.000.000.000 / 3600 = 25.000.000 Watios = 25 megawatios. Una casa convencional, consume unos 3,3 kilowatios/hora. Si tenemos esto en cuenta, tenemos que con esa energía podríamos satisfacer a 7.576 hogares que cuenten con un TV, horno, frigorífico, estufa, etc., aunque si consideramos que no llegan a la máxima potencia, pues casi nunca se llega a 3300 watios/hora, y que por la noche apenas consumen energía, se podría satisfacer a más del doble de hogares. En las centrales nucleares, hay muchos cilindros de Uranio, y con ello se consigue una gran cantidad de energía, ya que se consigue una potencia de unos 900 megawatios, siendo la energía suministrada por las centrales nucleares.

Se obtiene electricidad al aprovechar la energía almacenada en el núcleo de los átomos. En algunos átomos muy pesados, el núcleo se puede dividir en dos partes más pequeñas. El proceso de fisión nuclear libera una enorme cantidad de calor, que en una central nuclear se utiliza para hacer hervir el agua; el vapor impulsa una turbina que, al girar, acciona un generador y éste produce la electricidad.

La primera aplicación práctica fue la bomba atómica, en la cual se liberó una energía de 12 kilotones (energía equivalente a 12.000 toneladas de explosivo TNT), destruyendo una ciudad entera. Esta es una forma de liberación de energía de forma incontrolada. En las centrales nucleares, el proceso está controlado, de forma que la energía no sea gigantesca, ya que destruiría el reactor, y se transformaría en una bomba atómica.

En la década de los 70, hubo una gran crisis energética originada por la escasez del petróleo. Esto promovió la construcción de las primeras centrales nucleares del mundo, teniendo por combustible el Uranio, evitando así, tener que depender del petróleo, y de los países exportadores, dado que con las reservas de Uranio, se puede seguir produciendo energía mediante este, durante cientos de años. Actualmente, existen aproximadamente 450 reactores nucleares en el mundo, que generan aproximadamente el 16% del total de la energía mundial generada.

FISIÓN NUCLEAR

Los núcleos de los átomos son en general muy estables, pero, si son golpeados por protones o electrones dotados de suficiente energía, se rompen.

Si un elemento no es radiactivo, sus átomos tienen un núcleo muy estable: el átomo puede perder o ganar electrones, puede unirse a otros átomos o separarse de ellos, pero su núcleo sigue intacto. Para romper el núcleo de un átomo es necesario golpearlo con una partícula. En los aceleradores se utilizan partículas llevadas a velocidad elevadísima. La partícula usada como proyectil puede ser un protón o un electrón; en el camino que le conduce a dar en el blanco, es decir, el núcleo del átomo, es acelerada por un campo eléctrico y guiada por un campo magnético. Cuando la partícula alcanza el núcleo tiene suficiente energía para romperlo en varias partes.

La fisión nuclear es el utilizado actualmente en las centrales nucleares. Cuando un átomo pesado (como por ejemplo el Uranio o el Plutonio) se divide o rompe en dos átomos más ligeros, la suma de las masas de estos últimos átomos obtenidos, más la de los neutrones desprendidos es menor que la masa del átomo original, luego se verifica la fórmula de Albert Einstein E=MC2, con lo que se desprende Energía. Para romper un átomo, se emplea un neutrón (ya que es neutro eléctricamente, y no es desviado de su trayectoria), que se lanza contra el átomo a romper, por ejemplo, Uranio. Al chocar el neutrón, el átomo de Uranio-235 se convierte en Uranio-236 durante un brevísimo espacio de tiempo, pues tiene un neutrón más que es el que ha chocado con él, siendo este último átomo sumamente inestable, dividiéndose en dos átomos diferentes y más ligeros que el Uranio-236 (por ejemplo Kriptón y Bario; o Xenón y Estroncio), desprendiendo 2 ó 3 neutrones (los neutrones desprendidos, dependen de los átomos obtenidos, nosotros tomamos como ejemplo 3 neutrones, pero puede que solo se desprendan 2. En caso de obtener Bario y Kriptón, se desprenden 3 neutrones; mientras que si se obtiene Xenon y estroncio, solo se liberan 2 neutrones), y liberando energía. Estos 3 neutrones, vuelven a chocar con otros 3 átomos de Uranio-235, liberando en total 9 neutrones, energía y otros dos átomos más ligeros, y así sucesivamente, generando de esta forma una reacción en cadena.

Como se puede comprobar, en cada reacción sucesiva, se rompen 3n-1 átomos, donde n es 1º, 2º, 3º, 4º, ..., reacción. De esta forma, donde más energía se libera es al final, ya que se rompen gran cantidad de átomos, según la relación 3n-1, liberándose gran cantidad de energía.

LA FUSIÓN NUCLEAR

La Fusión nuclear es el proceso de combinación de dos núcleso logeros para formar uno mas pesado, con el desprendimiento de enrgía correspondiente a la doferencia entre la energía de ligadura de los productos y la suma de las energías de da ligadura de los dos núcleos ligeros. Se puede poner como ejemplo la reacción de fusión nuclear:

D12  +  D12  =>  He23  +  n01  +  3,22 MeV

Estas reacciones sólo pueden tener lugar si los núcleos reaccionantes poseeen la enrgían suficiente para superar la fuerza de repulsión de Coulomb

La fusión nuclear, está actualmente en líneas de investigación, debido a que todavía hoy no es un proceso viable, ya que se invierte más energía en el proceso para que se produzca la fusión, que la energía obtenida mediante este método.

La fusión, es un proceso natural en estrellas, produciéndose reacciones nucleares por fusión debido a la elevadísima temperatura de estas estrellas, que están compuestas principalmente por Hidrógeno y Helio. El hidrógeno, en condiciones normales de temperatura, se repele entre sí cuando intentas unirlo (fusionarlo) a otro átomo de hidrógeno, debido a su repulsión electrostática. Para vencer esta repulsión electrostática, el átomo de hidrógeno debe chocar violentamente contra otro átomo de hidrógeno, fusionándose, y dando lugar a Helio, que no es fusionable. La diferencia de masa entre el átomo obtenido y el original es mayor que en la fisión, liberándose así una gran cantidad de energía (muchísimo mayores que en la fisión). Estos choques violentos, se consiguen con una elevada temperatura, que excita los átomos de hidrógeno, y se mueven muy rápidamente, chocando unos contra otros.

La primera reacción de fusión realizada por el ser humano, tuvo origen militar, con una bomba termonuclear (o también llamada bomba-H o de Hidrógeno), que para obtener la temperatura adecuada (casi la del Sol, unos 20 millones de grados centígrados), se utilizó una bomba atómica. Esta bomba termonuclear libera grandes cantidades de energía. Las bombas termonucleares actuales, alcanzan los 60 megatones (equivalente a 60 millones de toneladas de explosivo TNT), lo cual puede arrasar todo lo que haya en un radio de 40 ó 50 Kilómetros a la redonda, eso si incluir la radiación electromagnética y la onda expansiva, así como la lluvia ácida.

REACCIONES

Tabla comparativa
Reacción Nuclear	Reacción química ordinaria
1.) Los elementos pueden transformarse uno en otro.	1.) No pueden producirse elementos nuevos.
2.) Participan partículas del interior del núcleo.	2.) Por lo general, solo participan los electrones más externos
3.) Se liberan o absorben cantidades considerables de energía.	3.) Se liberan o absorben cantidades relativamente pequeñas de energía.
4.) La velocidad de reacción no depende de factores externos.	4.) La velocidad de reacción depende de factores como concentración, temperatura, catalizador y presión.

Reacción en Cadena

Se conocen numeras reacciones químicas en cuyo mecanismo hay una o varias etapas en las que se regeneran los reactivos, por lo que pueden volver a producirse indefinidamente. Son como los eslabones de una cadena, que se repiten en toda su longitud, por lo que reciben el nombre de reacciones en cadena. Un ejemplo típico de estas reacciones es la de formación de cloruro de hidrógeno, que es lentísima a temperatura ordinaria y en la oscuridad, pero que puede ser explosiva cuando se ilumina la mezcla reaccionante, pues la absorción de luz inicia la siguiente reacción en cadena:

1) Cl2 + luz => Cl + Cl ........ iniciación

2) Cl + H2 => HCl + H ........ propagación

3) H + Cl2 => HCl + Cl ........ propagación

4) Cl + Cl + M => M + Cl2 ... terminación

Total: Cl2 + H2 => 2 HCl

La etapa 1 es la de iniciación que produce átomos de cloro, llamados portadores, por ser los que dan lugar a la cadena, formada, en este caso, por dos eslabones o etapas, los procesos 2 y 3 llamados de propagación, que repitiéndose indefinidamente pueden dar lugar a toda la reacción. La etapa 4, en la que se consumen los portadores, se llama de terminación o ruptura de la cadena. Para que sea efectiva se requiere la presencia de un tercer cuerpo, M (átomos o moléculas inertes, o la propia pared del recipiente), que absorba parte de la energía y evita así la ruptura de la molécula de Cl2, recién formada.

La energía de activación de la reacción global es muy elevada (209kJ). En cambio, las energías de activación de las etapas de propagación, 2 y 3 son muy pequeñas (23,0 y 10,5 kJ, respectivamente), por lo que su velocidad es muy grande. Como, además, la reacción en cadena es muy exotérmica (se desprenden 185 kJ), se eleva rápidamente la temperatura, con lo que la reacción se autoacelera extraordinariamente, dando lugar a una explosión.

En algunas reacciones, llamadas de cadena ramificada, hay eslabones o etapas que producen dos o más portadores, con lo que las etapas de propagación se ramifican y se multiplican constantemente. Esto da lugar a un enorme aumento de la velocidad, produciéndose una explosión. Este es el caso de la mezcla detonante de hidrógeno y oxígeno.

REACTORES

Un reactor es un dispositivo constituido por un arrollamiento de hilo conductor, alrededor de un núcleo magnético.

Los reactores pueden ser de dos tipos: lineales y no lineales o saturables, según que, para una frecuencia determinada, tengan o no impedancia constante cuando varia la señal de entrada.

En los tipos lineales se emplea un circuito magnético con entrehierro, de forma que la reluctancia de la parte de aire (constante) sea muy superior a la de material magnético (variable).

En los reactores saturables, en cambio, cl circuito magnético esta cerrado, sin entrehierro; debido a la saturación del material magnético, variando la amplitud de la señal que se aplica, varia la impedancia.

Entre las ventajas de los reactores saturables como órganos de regulación y amplificación pueden mencionarse la posibilidad de controlar potencias incluso muy elevadas (muchos kw), con potencias muy bajas; la ausencia de partes móviles y de contactos; el total aislamiento eléctrico entre el circuito de control y el de salida; la característica de ser dispositivos en estado sólido, por tanto, robustos y resistentes; el costo relativamente bajo.

Las aplicaciones mas importantes se realizan en el campo de los controles y regulaciones, p. ej., el control de la temperatura en un horno, la regulación de la intensidad de luz en un local, la regulación de velocidades de motores y el cebado controlado de reacciones.

REACTOR NUCLEAR

Concepto: Instalación en la que se produce una reacción de fisión nuclear de manera controlada.

Los reactores nucleares son instalaciones para el aprovechamiento de la energía producida por la escisión artificial de los núcleos de un elemento radiactivo. Esta escisión, o fisión nuclear, se obtiene bombardeando con neutrones los núcleos del elemento.

Desde el punto de vista de su empleo practico, los reactores se clasifican en reactores de potencia y reactores experimentales. Los primeros se usan con fines industriales (producción de energía termoeléctrica, propulsión naval, etc.), mientras que los segundos sirven para efectuar estudios, investigaciones y experimentos sobre los materiales sometidos a las radiaciones, así como sobre el comportamiento, en condiciones especiales de funcionamiento, de los reactores y sobre los problemas inherentes a su proyección y construcción o bien para la producción de isótopos radiactivos.

Principios de funcionamiento de un reactor nuclear.

Lo que se produce en un reactor nuclear es una reacción en cadena controlada mediante dispositivos especiales. El principio elemental de funcionamiento de un reactor nuclear es la rotura (fisión) de los núcleos de los átomos de la masa del material fisionable (denominado combustible nuclear), por medio de los neutrones capturados por ellos, con liberación de energía térmica y emisión de algunos neutrones (entre dos y cuatro, estadísticamente 2,56 por cada fisión), además de la formación de dos núcleos de masas inferiores. Los neutrones emitidos en cada fisión, una vez reducida su velocidad por medio de una sustancia situada entre los elementos del combustible y denominada moderador o diluyente, según los tipos, producen el bombardeo de otros núcleos, provocando su fisión y dando lugar así a una reacción en cadena. El fenómeno se halla ligado esencialmente a las leyes de la probabilidad, de las que depende la posibilidad de que un neutrón libre sea capturado por un núcleo fisionable, antes de salir de la masa activa de combustible, garantizando así la continuidad de la reacción. Dicha probabilidad es tanto mayor cuanto mas eficaz es la reducción de la velocidad de los neutrones y cuanto mayor es la masa de material fisionable. En todo reactor, esta masa no puede ser inferior a cierto valor, denominado masa critica, por debajo del cual la reacción en cadena no tiene lugar.

Cuando un átomo de uranio-235 es embestido por un neutrón, su núcleo se escinde dando origen a 2 núcleos mas ligeros, a 2 o 3 neutrones y a un notable cantidad de energía. Cada uno de los neutrones producidos colisionan con otro átomo de uranio y el proceso se repite, afectando cada vez a un número mayor de átomos. El uranio se introduce en el reactor en forma de barras dentro de las cuales van enfiladas, con una profundidad que puede regularse a conveniencia, otras barras de control, generalmente de cadmio. Este, al absorber parte de los neutrones, da a la reacción el desarrollo deseado.

La energía térmica que se libera en la fisión nuclear es extraída por un fluido refrigerante que circula por un circuito cerrado, que la cede a su vez, en un intercambiador de calor, al fluido destinado eventualmente a trabajar en el ciclo termodinámico de utilización, si se trata de un reactor de potencia.

Clasificaciones de los reactores nucleares.

Según el nivel energético medio de los neutrones que producen la reacción, los reactores pueden clasificarse en tres categorías:

a) Reactores veloces, en los que, a causa de la presencia de un diluyente de elevado peso atómico, los neutrones liberados en cada fisión a pesar de los choques con los núcleos de la masa diluyente, conservan una energía cinética muy elevada, hasta el momento de la captura por parte de un nuevo núcleo fisionable para el desarrollo sucesivo de la reacción en cadena.

b) Reactores intermedios (llamados también de neutrones epitérmicos o de resonancia), en los que el moderador posee un peso atómico medio y los neutrones liberados por una fisión pierden gran parte de su energía antes de dar lugar a la fisión siguiente.

c) Reactores lentos (o térmicos), en los que el moderador es un elemento ligero (es decir, con peso atómico muy bajo, del orden en magnitud de la masa del neutrón) que absorbe en la disminución de velocidad de los neutrones gran parte de la energía de estos, reduciendo su nivel energético hasta el correspondiente a la temperatura de la masa activa del combustible. Este ultimo tipo de reactor ha sido, hasta ahora, el mas difundido, pero en la actualidad, gracias al desarrollo de las investigaciones científicas y a las mejoras tecnológicas, existe una tendencia decidida, incluso para la utilización a escala industrial, a emplear reactores veloces, sobre todo por el hecho (muy importante desde el punto de vista del costo del combustible y, por tanto, de la energía nuclear) de que estos presentan grandes posibilidades de autofertilización, es decir, de conversión, por medio de neutrones procedentes en exceso de las fisiones en cadena, de núcleos no fisionables en isótopos fisionables del mismo o de distinto material. Los reactores en los que se realiza, además de la reacción de fisión controlada, esta importante función, se denominan precisamente autofertilizantes (breeders).

Desde el punto de vista tecnológico, los reactores lentos pueden clasificarse a su vez en:

a) Reactores heterogéneos, tienen el elemento moderador interpuesto de forma discontinua en la masa activa de los elementos de combustible. b) Reactores homogéneos, tienen el elemento moderador mezclado con la masa activa de los elementos de combustible de modo intimo y homogéneo.

Reactores de potencia

En las instalaciones industriales en que se utilizan los reactores de potencia, estos desempeñan el mismo papel que las calderas en las instalaciones de tipo tradicional. La diferencia mas importante consiste en el hecho de que mientras para una caldera de combustión tradicional (con aceites pesados o carbón) el combustible posee un contenido energético especifico relativamente bajo y, por tanto, debe ser aprovisionado con continuidad en el curso de la vida de la instalación, en el caso de la caldera nuclear el combustible posee un contenido energético específico tan elevado que una carga completa del mismo garantiza su funcionamiento durante varios anos. Por esta razón, el reactor puede considerarse como un gran deposito de combustible. En los restantes aspectos, las instalaciones en las que se emplean los reactores nucleares son idénticas a las de tipo tradicional. En general, el fluido que trabaja en el ciclo industrial se obtiene indirectamente a través de intercambiadores de calor, a partir del fluido de refrigeración del reactor. pero no faltan los casos de utilización directa o mixta del propio fluido de refrigeración.

Los reactores industriales pueden dividirse en seis tipos distintos: de agua presurizada, de agua hirviente, de sodio grafito, de gas, orgánicos y homogéneos de combustible liquido.

En el gráfico de arriba se observa el Reactor Avanzado Refrigerado por Gas, en donde el moderador es grafito y el refrigerante bióxido de carbono gaseoso contenido en un recipiente a presión de hormigón, que también actúa como escudo. La turbina generadora es impulsada por vapor producido en una caldera. Durante el proceso no se deben acumular grandes cantidades de calor.

Dispositivo del combustible en el Reactor Avanzado Refrigerado por Gas. El combustible consiste en diminutos balines de óxido de uranio enriquecido protegidos por un blindaje de acero inoxidable. En orden a aumentar el área cubierta por el combustible y mejorar la transferencia de calor, las agujas tienen sólo 1 cm de diámetro. Tienen la ventaja de producir mas combustible del que consumen.

MATERIALES PARA REACTORES

Combustible.

La fisión nuclear es esencialmente el resultado de la inestabilidad de los núcleos atómicos de algunos isótopos determinados de elementos naturales muy raros, como el uranio y el plutonio. El único isótopo fisionable existente en la naturaleza es el uranio 235, que, en las ecuaciones de reacción nuclear, se indica mediante U235, en que el exponente representa su peso atómico.

Sin embargo, el uranio 235 se halla contenido en cantidades mínimas en el uranio natural. En efecto, este ultimo esta constituido en su mayoría (99,3%) por el isótopo de peso 238 (uranio 238) y tan sólo en un 0,7% por el isótopo 235.

Los otros dos núcleos fisionables con neutrones térmicos (es decir, capaces de ser empleados en reactores industriales) son el uranio 233 y el plutonio 239. No se hallan en la naturaleza, pero se obtienen por bombardeo neutrónico del torio 232 (Th232) y del uranio 238, respectivamente, según las ecuaciones:

Th232  +  n01  =>  Th233 U238  +  n01  =>  U239 Th233  -  b-10  =>  Pa233 U239  -  b-10  =>  Np239 Pa239  -  b-10  =>  U233 Np239  -  b-10  =>  Pu239

El torio 232 y el uranio 238 existen en la naturaleza y las reacciones citadas pueden realizarse ambas en reactores veloces y la segunda también en reactores térmicos. Dichos reactores autofertilizantes se hallan todavía en una etapa experimental por las importantes dificultades de construcción que presentan. En los reactores actuales se utilizan como combustibles el uranio natural (generalmente en forma de óxidos) o el uranio enriquecido, llamado así porque en el se incrementa artificialmente el porcentaje de U235.

Moderadores.

La función principal que lleva a cabo el moderador es la deceleración de los neutrones para aumentar la probabilidad de captura útil por parte de los núcleos de material fisionable, evitando, al mismo tiempo, la captura parásita por parte del propio moderador. Por tanto, las propiedades mas importantes de un buen moderador son: bajo peso atómico y acción de captura reducida para los neutrones decelerados (neutrones térmicos). En la practica cumplen estas características algunos elementos como el deuterio (isótopo del hidrógeno provisto de un neutrón y que, por tanto, posee una masa doble, por lo que también se le conoce con el nombre de hidrógeno pesado), el oxigeno, el hidrógeno, el carbono y el berilio. Estos se emplean no como elementos puros, sino en forma de compuestos o agregados, tales como agua pesada (formada por hidrógeno, deuterio y oxigeno), agua, grafito, óxido y carburo de berilio y también berilio metálico.

Materiales de control (absorbentes).

Al contrario de lo que ocurre con los moderadores, los materiales de control deben poseer una elevada capacidad para la captura parásita de neutrones térmicos ya que su empleo responde a la necesidad de frenar o incluso bloquear la reacción en cadena. Debido a que en este cometido los materiales experimentan un envenenamiento por efecto de las capturas de neutrones que provocan su transmutación e., materiales de peso atómico mas elevado, es preciso que posean dimensiones que garanticen la eficacia de su función hasta el termino de su periodo de trabajo. Además, dichos materiales deben presentar también buenas cualidades de resistencia mecánica para hacer frente a las solicitaciones a que son sometidos en las operaciones de regulación del reactor. Poseen especialmente estas propiedades el cadmio y el boro, que son en la actualidad los absorbentes que se emplean de manera normal en los reactores. Posiblemente, en el futuro podrán utilizarse también el mercurio, la plata y el cobalto.

Fluidos para la extracción del calor.

El fluido empleado para la extracción de la energía térmica del reactor, destinado a circular en circuito cerrado, puede ser liquido o gaseoso. Los fluidos que por lo general se utilizan son el agua y el agua pesada, que poseen también funciones de moderadores, el sodio fundido, el anhídrido carbónico y, recientemente, algunos líquidos orgánicos, entre los cuales puede citarse el difenilo. En los reactores refrigerados por agua, la refrigeración se obtiene calentando el agua, la cual se mantiene constantemente a una presión superior a la de saturación del vapor (reactores de agua presurizada), o bien haciendo evaporar el agua condensándola posteriormente (reactor de agua hirviente).

CENTRALES NUCLEARES

Una de las aplicaciones mas importantes de la energía nuclear es el empleo de reactores en las centrales de producción de energía termoeléctrica. Su importancia reside principalmente en el hecho de que, incluso sin ser por ahora el costo de la energía producida competitivo o con el de la energía eléctrica de las centrales tradicionales, existe la posibilidad de perfeccionar la técnica de funcionamiento y de preparar el personal especializado necesario para el manejo de instalaciones delicadas y complicadas como las nucleares.

En las centrales nucleares se produce fisión nuclear. El proceso que se controla con mayor cuidado es el final, ya que en ellas, se genera energía de forma lenta, pues de lo contrario el reactor se convertiría en una bomba atómica, debido a que la mayor parte de la energía se libera al final.

Recordamos que el Uranio natural es el U-238, y el que es fisionable es el U-235, que es un 0.71% del Uranio que se encuentra en la naturaleza, de ahí que solo un pequeño porcentaje del Uranio se aproveche y se requieran grandes cantidades de este para obtener una cantidad significativa de U-235. El U-238 no es fisionable, ya que es un átomo estable, y al romperlo, no habría diferencia de masa, y no se obtendría energía, cosa que con el U-235 sí se obtiene, al ser inestable.

Proceso básico

Las barras de Uranio enriquecido al 4% con Uranio-235 se introducen en el reactor, y comienza un proceso de fisión. En el proceso, se desprende energía en forma de calor. Este calor, calienta unas tuberías de agua, y esta se convierte en vapor, que pasa por unas turbinas, haciéndolas girar. Estas a su vez, giran un generador eléctrico de una determinada potencia, generando así electricidad, al igual que con una dínamo de bicicleta, saolo que estas turbinas y el generador, son muy grandes. Lógicamente, no se aprovecha toda la energía obtenida en la fisión, y se pierde parte de ella en calor, resistencia de los conductores, vaporización del agua, etc.

Los neutrones son acontrolados para que no explote el reactor mediante unas barras de control (generalmente, de Carburo de Boro), que al introducirse, absorben neutrones, y se disminuye el número de fisiones, con lo cual, dependiendo de cuántas barras de control se introduzcan, se generará más o menos energía.

Normalmente, se introducen las barras de tal forma, que solo se produzca un neutrón por reacción de fisión, controlando de esta forma el proceso de fisión. Si todas las barras de control son introducidas, se absorben todos los neutrones, con lo cual se pararía el reactor. El reactor se refrigera, para que no se caliente demasiado, y funda las protecciones, convirtiéndose en una bomba atómica, incluso cuando este esté parado, ya que la radiación hace que el reactor permanezca caliente

SEGURIDAD

Debido a este importante factor de riesgo, las centrales nucleares, deben tener una serie de protecciones para prevenir un posible desastre, que tuviera fugas radiactivas al exterior. La seguridad y protección radiológica que ofrecen las centrales nucleares, son:

Varilla de combustible: Tubos con aleación de Circonio en cuyo interior se encuentra el Uranio.

Vasija del reactor: Recipiente cilíndrico de acero al carbono, recubierto interiormente de acero inoxidable, de 12.5 cm. de espesor, con 18.5 m. de altura y 4.77 m. de diámetro. En su interior, se encuentra el núcleo del reactor, donde se obtiene el vapor que mueve la turbina.

Edificio del reactor: Es una estructura de hormigón armado de 1 m. de espesor y 55 m. de altura (12 de ellos, bajo tierra). Está diseñado para soportar las condiciones del mayor accidente posible.

En caso de emergencia, se activarían los siguientes sistemas de emergencia. Se activan al romperse la tubería de refrigeración, y es un sistema autónomo automático, y se compone de:

Inyección del Refrigerante a alta presión: Inyecta refrigerante al interior de la vasija, justo encima del combustible.

Rociado del núcleo

Inyección de refrigerante a baja presión: Inyectan refrigerante a la vasija, inundando el núcleo.

Sistema automático de alivio de presión: Impide la presurización de la vasija por encima de los valores operacionales.

Condensador de aislamiento: Enfría el vapor existente en la vasija.

Inserción de las barras de control: Al insertarlas, se para totalmente el reactor.

Además de estos sistemas de emergencia, las centrales nucleares, también cuentan con detectores de incendios, fugas de radiación, y extintores adicionales.

Como hemos visto, las centrales nucleares, cuentan con grandes medidas de seguridad, pero la cosa no termina aquí, ya que estas centrales generan unos residuos radiactivos muy perjudiciales para los seres vivos, y el medio ambiente, por lo que deben ser tratados adecuadamente. Se clasifican de la siguiente forma:

Alta actividad:

Proceden de los elementos de combustible gastados, que se extraen del reactor, y se almacenan temporalmente en una piscina de agua, situada dentro de la central nuclear, y construida de hormigón, con paredes de acero inoxidable, de tal forma que no se escape la radiación. Una vez que la piscina se llena (que puede tardar décadas), los residuos se sacan de la piscina, y se almacenan bajo tierra, profundamente, en minas excavadas, con formaciones salinas para mantenerlo aislado de la humedad, y metidos en bidones blindados con material anticorrosivo. Este es el lugar definitivo, donde se guardarán durante cientos o incluso miles de años.

Media actividad:

Son generados por radionucleidos liberados en el proceso de fisión en cantidades muy pequeñas, muy inferiores a las consideradas peligrosas para la seguridad y protección de las personas. Los residuos son solidificados dentro de bidones de acero, utilizando cemento, alquitrán o resinas.

Baja actividad:

Generalmente, son las ropas y herramientas que se utilizan en el mantenimiento de la central nuclear. Se prensan, y se mezclan con hormigón, de forma que formen un bloque sólido, son introducidos en bidones de acero. Después, estos bidones, al igual que los de media actividad, son trasladados al Centro de almacenamiento de El Cabril, en la provincia de Córdoba, en el caso de España.

Como se puede comprobar, las medidas de seguridad para prevenir posibles fugas radiactivas, son muy altas, evitando así, que se produzca un accidente radiactivo. La radiación liberada, es por tanto muy baja, prácticamente nula.

VENTAJAS DE LA ENERGÍA NUCLEAR

La energía nuclear, genera un tercio de la energía eléctrica que se produce en la Unión Europea, evitando así, la emisión de 700 millones de toneladas de CO2 por año a la atmósfera. Esta cifra equivale a que todos los coches que circulan por Europa, unos 200 millones, se retiren de las calles. A escala mundial, en 1.996, se evitó la emisión de 2,33 billones de toneladas de CO2 a la atmósfera, gracias a la energía nuclear.

Por otra parte, también se evitan otras emisiones de elementos contaminantes que se generan en el uso de combustibles fósiles. Tomemos como ejemplo, la central nuclear española Santa María de Garoña, que ha evitado que se descargue a la atmósfera 90 millones de toneladas de CO2, 312.000 toneladas de NOx, 650.000 toneladas de SO2, así como 170.000 toneladas de cenizas, que contienen a su vez más de 5.200 toneladas de arsénico, cadmio, mercurio y plomo.

Los vertidos de las centrales nucleares al exterior, se pueden clasificar como mínimos, y proceden, en forma gaseosa de la chimenea de la central, pero se expulsan grandes cantidades de aire, y poca de radiactividad; y en forma líquida, a través del canal de descarga.

Por su bajo poder contaminante, las centrales nucleares, frenan la lluvia ácida, y la acumulación de residuos tóxicos en el medio ambiente. Como dato: una central nuclear no puede verter a la atmósfera más de 3 curios/año, según la normativa vigente (1 CURIO = 37.000 millones de desintegraciones por segundo = radiactividad de 1 gramo de Radio).

Además, se reducen el consumo de las reservas de combustibles fósiles, generando con muy poca cantidad de combustible (Uranio) muchísima mayor energía, evitando así gastos en transportes, residuos, etc.

PELIGROS

Actualmente, la industria nuclear de fisión, presenta varios peligros, que por ahora no tienen una rápida solución. Estos peligros, podrían llegar a tener una gran repercusión en el medio ambiente y en los seres vivos si son liberados a la atmósfera, o vertidos sobre el medio ambiente, llegando incluso a producir la muerte, y condenar a las generaciones venideras con mutaciones... Por ello, a las centrales nucleares se les exige unas grandes medidas de seguridad, que puedan evitar estos incidentes, aunque a veces, pueden llegar a ser insuficientes (Chernobil), debido a que se intenta ahorrar dinero en la construcción, y solo se pone una seguridad mínima.

Los peligros más importantes, son entre otros, la radiación y el constante riesgo de una posible explosión nuclear, aunque este último es muy improbable con los actuales sistemas de seguridad de las centrales nucleares. Nos centraremos principalmente en la radiación, por ser el más representativo, debido a que las explosiones son muy improbables.

En el centro de todo átomo hay un núcleo formado por protones y neutrones apretados los unos contra los otros. Cuando su número es muy elevado el núcleo es inestable, y busca la estabilidad mediante la expulsión de algunas partículas. Los procesos que se desarrollan en el interior de un núcleo en busca de su estabilidad determinan la expulsión de partículas alfa, consistente cada una en dos protones y dos neutrones; de partículas beta, que son electrones resultantes de la transformación de un neutrón en un protón, y de rayos gamma, que son radiaciones invisibles y muy penetrantes.

La radiactividad es por tanto, un fenómeno natural al que el hombre ha estado siempre expuesto.

En resumen las radiaciones permiten, entre otras cosas:

- Liberar grandes cantidades de energía, gracias a la ruptura o unión de los núcleos de los átomos.
- Traspasar cuerpos, lo que permite ver a través de los mismos.
- Trazar trayectorias para seguir determinados circuitos.
- Medir con gran precisión espesores o grados de llenado.
- Inducir cambios en átomos, modificando la naturaleza de moléculas orgánicas o inorgánicas.

Además, diferenciamos dos casos; radiación natural y radiación artificial:

RADIACIÓN NATURAL

Siempre ha existido, ya que procede de las materias existentes en todo el universo, y puede ser radiación visible (como por ejemplo la luz), o invisible (por ejemplo los rayos ultravioleta). Esta radiación, procede de las radiaciones cósmicas del espacio exterior (Sol y estrellas), pues ellos son gigantescos reactores nucleares, aunque lejanos; también proceden estas radiaciones de los elementos naturales radiactivos (uranio, torio, radio) que existen de forma natural en el aire, agua, alimentos, o el propio cuerpo humano (potasio, carbono-14). Esta radiación natural, es del orden del 88% de la radiación total recibida por el ser humano, clasificándose de la siguiente manera:

- Radiación cósmica: 15%

- Radiación de alimentos, bebidas, etc.: 17%

- Radiación de elementos naturales: 56%

RADIACIÓN ARTIFICIAL

Provienen de fuentes creadas por el hombre. Los televisores o los aparatos utilizador para hacer radiografías médicas son las fuentes más comunes de las que recibimos radiación artificial. La generada en las centrales nucleares, pertenece a este grupo. El incremento de radiación que recibe una persona en un año como consecuencia del funcionamiento normal de una central nuclear, es de 1 milirem al año (1 REM = radiación de rayos gamma existenteen el aire por centímetro cúbico de aire), cantidad que es 100 veces más pequeño que la radiación natural que recibimos en España. La radiación artificial total recibida por el ser humano es del orden del 12% de todas las radiaciones recibidas. Se clasifica de la siguiente manera:

- Televisores y aparatos domésticos: 0.2%

- Centrales nucleares: 0.1%

- Radiografías médicas: 11.7 %

Como es bien sabido, la radiación de los elementos trae serias consecuencias en los seres vivos, si sobrepasan los límites anuales re radiación normal. La consecuencia más importante es la mutación en los seres vivos, ya que afecta a las generaciones tanto presentes, como futuras, y sus efectos irían desde la falta de miembros corporales y malformaciones en fetos, esterilidad, ..., hasta la muerte. Por tanto, es importante que los residuos de las centrales nucleares, que son radiactivos, cumplan unas medidas de seguridad, para que no surjan posibles accidentes de fugas de radiación.

Estas propiedades de la radiación tienen aplicación en campos distintos de la industria, la medicina, la agricultura, la alimentación, el transporte, la vivienda o la investigación.

Usos industriales, agroalimentarios y domesticos

A modo de ejemplo, se pueden incluir en este apartado los siguientes usos de las radiaciones:

- Detección de defectos de soldadura o grietas en tuberías, estructuras y edificios; examen de maletas y bultos en los aeropuertos; detección de cartas bomba.

- Control de irregularidades en el espesor de bloques de papel, láminas de plástico y hojas de metal o en el nivel de llenado de recipientes o grandes depósitos.

- Identificación de trayectorias, utilizando trazadores en corrientes hidráulicas, sedimentos, movimiento de graneles, etcétera.

- Estimación de la antigüedad de sustancias, utilizando el carbono-14 u otros isótopos, como el árgon-40 o el fósforo-32.

- Iuminación pasiva de relojes o de salidas de emergencia.

- Desarrollo de cepas de cultivos y plantas alimenticias con mayor productividad y resistencia a la lluvia, las heladas o las plagas, que las especies originales.

- Control de insectos nocivos, como la mosca tse-tse, en Zanzíbar, la mosca de la fruta mediterránea, en México, y la larva de moscarda en el sur de Estados Unidos y el norte de África.

- Esterilización de material quirúrgico, así como de semillas o productos alimenticios para prolongar su durabilidad.

- Detección de humo en los hogares y locales públicos.

Sin duda, las aplicaciones más extendidas, y quizás por ello más importantes, de las radiaciones son las relativas a la medicina y la energía.

Usos medicos

En el campo de la sanidad las radiaciones se usan tanto para el diagnóstico, por la capacidad de la radiación para permitir ver lo que no puede verse sin necesidad de recurrir a la cirugía, como para el tratamiento de enfermedades, por la capacidad de la radiación intensa para matar células.

Diagnóstico

Cuando la radiación X penetra en el cuerpo, produce una semisombra que contiene áreas más claras y más oscuras. Una película situada en la sombra de rayos X del paciente permite ver una imagen de los órganos internos, que luego se interpreta para el diagnóstico.

Tratamiento

La otra gran aplicación de la radiación en medicina surge de su capacidad para destruir células. Paradójicamente, esta capacidad que es el origen lógico del rechazo hacia la radiación cuando se recibe de forma incontrolada, puede convertirla en herramienta de curación cuando se dosifica y utiliza adecuadamente.

Junto a los tratamientos quirúrgicos y químicos, la aplicación selectiva de fuertes dosis de radiación en determinadas células se ha demostrado como una vía eficaz en ciertas modalidades de cáncer.

¿ De donde viene la radiactividad ?

Las 3/4 partes de la radiactividad que normalmente hay en el medio ambiente procede de los elementos naturales de la Tierra. Fundamentalmente viene del gas radón que se escapa de las rocas.

Este gas se produce como consecuencia de la desintegración del uranio que contienen las rocas. La radiactividad natural produce las 3/4 partes del calor interno de nuestro planeta; el resto procede del fuego original.

La Tierra produce por sí misma, en un año, una energía equivalente a 140 billones de Kw/h: más del doble de la que es capaz de producir toda la humanidad en ese tiempo.

Todos los lugares de la Tierra no tienen el mismo nivel de radiactividad. En algunas zonas de la India, por ejemplo, la radiactividad es 10 veces mayor que la media Europa. La razón está en las arenas de la India que tienen torio, un elemento natural radiactivo. Los Alpes y otras cordilleras también tienen un nivel de radiactividad relativamente elevado, debido a la composición de sus granitos.

Algunos vegetales acumulan radiactividad. Este es el caso del tabaco. La radiactividad del tabaco es una razón más para no fumar.

Otra parte importante de la radiactividad procede de los rayos cósmicos. La atmósfera filtra estos rayos y nos protege de sus efectos peligrosos. Por eso debemos cuidarla: es una garantía de Seguridad Nuclear.

Nuestros cuerpos también son una fuente de radiación porque almacenan pequeñas cantidades de potasio radiactivo, un producto que es necesario por otras muchas razones.

Pero la radiactividad puede producirse también en forma artificial, la mayor parte de las veces para usos médicos. Los rayos X se utilizan en medicina para descubrir muchos problemas físicos y enfermedades. También usan las radiaciones para curar el cáncer u otras enfermedades graves. Muchas industrias se benefician de las aplicaciones positivas de las radiaciones. Este es el caso de las Centrales Nucleares que producen electricidad. Un uno por ciento de los niveles de radiactividad habitual lo producen las Centrales Nucleares operando en condiciones de normalidad.

Hemos visto que la radiactividad está en todas partes. Una parte importante existe naturalmente. Otra, mucho menor, se produce por procedimientos artificiales.

¿ Cómo se puede medir la radiactividad ?

La radiactividad es invisible y silenciosa, pero se puede medir por distintos procedimientos. En muchos puntos del mundo, en Europa y también en España existen instalaciones de control para medir la radiactividad natural y la producida artificialmente. Pero para conocer los efectos de las radiaciones nos interesa saber de qué tipo son, qué intensidad tienen y cuánto tiempo duran. Es decir, además de saber cual es el nivel o la cantidad de radiación, necesitamos conocer cómo son las radiaciones que se producen, qué efecto tienen y cuánto tiempo duran esos efectos. En particular, nos interesa saber de qué manera las radiaciones pueden afectar al ser humano. Para ello utilizamos unas unidades que llamamos sieverts y distintos equipos de medición, según los diferentes tipos de radiación.

La ley establece que en los lugares de trabajo que utilicen equipos o materiales radiactivos hay que controlar las dosis de radiación que pueden recibir los trabajadores y la población en general. Para ellos se utilizan dosímetros personales y otros controles ambientales. De modo que en cada momento puede conocerse cuántas radiaciones ha percibido una persona y de qué tipo son y controlar si esa cantidad está dentro de los límites tolerables para que su salud no se vea afectada.

Así se hace en las centrales nucleares y en las industrias y hospitales que utilizan elementos radiactivos.

Detección de Radiaciones

Detección Fotográfica: Las emanaciones procedentes de sustancias radiactivas afectan a las placas fotográficas al igual que la luz común. El descubrimiento de Becquerel de la radiactividad se debió a la exposición inesperada de una placa de este tipo envuelta en papel negro que se colocó cerca de una muestra cerrada de un compuesto que contenía uranio, el sulfato de potasio y uranio. Una vez revelada y fijada la placa, pudo relacionarse la intensidad de la mancha con la cantidad de radiación que chocó contra ella. La detección cuantitativa de la radiación por este método es difícil y tediosa.

Detección por Fluorescencia: Las sustancias fluorescentes pueden absorber radiación de alta energía como los rayos gamma y emitir posteriormente luz visible. Al absorber la radiación los átomos que la reciben, saltan a estados electrónicos excitados. Los electrones excitados regresan a los estado basales mediante una serie de transiciones en algunas de las cuales se emite la luz visible. Este método puede emplearse para la detección cuantitativa de la radiación empleando un instrumento llamado contador de centelleos.

Cámaras de Nebulización: La cámara de nebulización original fue creada por C.T.R. Wilson en 1911, contiene aire saturado con vapor. Las partículas emitidas por las sustancias radiactivas ionizan las moléculas de aire de la cámara, y cuando ésta se enfría se condensan gotitas de líquido sobre los iones. Es posible seguir la trayectoria de las partículas observando los rastros que quedan en la niebla. Estos pueden fotografiarse para estudiarse con detalles.

Contadores de Ionización de Gas: El contador de ionización de gas más común es el contador Geiger-Muller. La radiación penetra al tubo a través de una delgada ventana. Pueden emplearse ventanas con distintas potencias de detención para admitir solo radiación con ciertas potencias de penetración.

¿ Cuánto dura la radiactividad ?

Cada elemento radiactivo tiene su propia vida. Algunas partículas sólo son activas durante periodos de tiempo muy cortos mientras que otras, como el uranio 235, se mantienen activas durante miles de millones de años. En el transcurso de este tiempo y en sucesivas desintegraciones, los elementos inestables se transforman en otros, para terminar convirtiéndose en elementos estables. De este modo el uranio 235 se transforma en radón antes de convertirse en plomo. Cada paso se produce a un ritmo determinado. A este ritmo se lo llama semivida. Cuando ha transcurrido una semivida, la cantidad de sustancia radiactiva se reduce a la mitad y así sucesivamente.

La semivida del uranio 235 es 4.000 millones de años; la del radio 226 es 1.600 años; y la del radón 222 es 4 días.

Como hemos visto, algunos elementos son radiactivos durante periodos de tiempo muy prolongados. Este hecho nos obliga a controlarlos hasta que se conviertan en elementos estables "no radiactivos".

¿ Cómo afecta la radiactividad a las personas?

La radiactividad existe desde el principio de los tiempos. Y ha habido épocas en las que el nivel de radiactividad natural era muy superior al actual. Pero sólo en tiempo reciente hemos podido conocer los efectos de las radiaciones. Para estudiar este tema, se crea, en los años veinte, la Comisión Internacional de Protección Radiológica. Dos décadas más tarde, durante la Segunda Guerra Mundial, las explosiones de Hiroshima y Nagashaki, en Japón, muestran al mundo el efecto devastador de las grandes dosis de radiación. Esta es una lección que la humanidad no debe olvidar: las radiaciones pueden matar.

Cuando una célula se irradia, es decir, recibe radiaciones, sufre distintas alteraciones, que pueden ser más o menos graves, según la dosis recibida. Si las células afectadas son las que interfieren en la reproducción, los efectos pueden transmitirse de padres a hijos.

Sin embargo, el cuerpo humano, dispone de macanismos de reparación que le permiten reaccionar y recuperarse de los efectos nocivos, de una dieta inadecuada, de la contaminación, de los rayos ultravioletas o condiciones de trabajo peligrosas. De la misma forma que superamos los virus y las enfermedades, el hombre es capaz de vivir en un ambiente naturalmente radiactivo.

Como hemos dicho, las radiaciones pueden matar, pero también pueden curar. El cáncer, por ejemplo, es una de las enfermedades que las radiaciones pueden curar: el tejido enfermo se destruye y otras células sanas ocupan su lugar.

Los efectos de las radiaciones dependen de las dosis recibidas. Pueden ser beneficiosas o perjudiciales, según el uso que hagamos de ellas.

Cómo protegernos de la radiactividad

Hay tres formas fundamentales de protegernos de las radiaciones:

1.) Interponiendo obstáculos entre ellas y nosotros.

2.) Alejándonos de la fuente que las produce.

3.) Reduciendo el tiempo de exposición.

Algo semejante a lo que hacemos cuando queremos protegernos de los rayos del sol. El uso de equipos adecuados permite reducir la cantidad de radiación absorbida en usos médicos.

En el caso de las centrales nucleares, los muros de cemento y niveles adecuados de agua limitan el riesgo de los trabajadores.

Una adecuada contribución de barreras de protección y una distancia suficiente permiten manipular con seguridad objetos muy radiactivos.

Para reducir al máximo la exposición a las radiaciones, los operadores efectúan distintos entrenamientos antes de pasar a realizar sus tareas en zonas radiactivas.

De este modo, podemos reducir una parte de las radiaciones que recibimos. Esto está claro en el caso de los usos médicos, pero no es tan fácil limitar la exposición a la radiación natural en el caso de las personas que viven en zonas montañosas y graníticas.

DETERMINACIÓN DE LA EDAD DE UN FOSIL

Los fósiles son restos de plantas y animales prehistóricos. Midiendo la radiactividad que presentan actualmente es posible establecer, con buena aproximación, el periodo en el cual han vivido.

En todo organismo viviente están presentes, aunque sea en mínimas cantidades, sustancias radiactivas. Cuando un organismo cesa de vivir, las sustancias radiactivas presentes en el mismo decaen, es decir, se transforman en sustancias no radiactivas. Los científicos conocen la relación existente entre las diversas fases del decaimiento radiactivo y su duración relativa; por lo tanto, conociendo la cantidad de elementos radiactivos presentes en el organismo al comienzo del proceso de fosilización y la presente en el momento actual, se puede determinar la edad del fósil. De forma análoga se establece la edad de una roca como consecuencia de la de los restos de organismos que englobó cuando se formaba.

CONTAMINACIÓN

La contaminación atmosférica radiactiva ha disminuido en forma parcial por un tratado firmado en 1963 que prohibe las pruebas atmosféricas de armas nucleares en un gran grupo de naciones, las cuales estuvieron de acuerdo con los términos del mismo. Sin embargo, las pruebas de armamento no son la única fuente de preocupación. El desastre de la planta nuclear de Chernobyl, en la antigua Unión Soviética, por sí misma, liberó una fracción importante del material radiactivo total que se ha liberado en la atmósfera terrestre. En el caso de una guerra nuclear limitada, muchas sustancias radiactivas lograrían entrar en una cadena trófica, produciendo una cosecha de enfermedades por generaciones, después de las muertes agudas por el cambio nuclear.

Aun en épocas de paz, la amplia producción de desechos nucleares en las plantas generadoras, podría tener un efecto similar, principalmente debidos a accidentes que pueden presentarse durante el transporte de dichos desechos. A esto deben añadirse los peligros potenciales creados por la destrucción de una planta nuclear por defectos de fabricación, neglijencia, sabotaje de guerra u otros usos del combustible nuclear.

Otro ejemplo de contaminante radiactivo típico son los restos radiactivos aéreos que resultan de desastres relacionados con plantas y armas nucleares, el isótopo radiactivo de estroncio es químicamente similar al calcio y se desplaza en los ecosistemas de igual modo que éste último. De manera semejante, se incorpora en los huesos y dientes pudiendo producir lesiones como cáncer óseo. Su vida media es de 28 años, es decir que en 28 años aún se conservará la mitad de él y la otra mitad se habrá degradado en productos no radiactivos. En otros 28 años, la otra mitad no habrá llegado a cero, pero se habrá reducido en 50% de nuevo, por lo que puede decirse que en 56 años el estroncio radiactivo se habrá reducido a la cuarta parte. Este es un tiempo muy prolongado para llevarlo en los huesos.

Esto no es especulación vana. El "musgo" del reno, un liquen del ártico, posee la capacidad de concentrar sustancias de la precipitación y del polvo atmosférico. Este concentra el estroncio radiactivo que, luego, se reconcentra (más o menos como los plaguisidas persistentes) cada vez que el reno ingiere los líquenes. Cuando los esquimales y lapones ordeñan al reno, el estroncio radiactivo se concentra aún más y puede llegar al cuerpo de un niño. En la cadena trófica pasto-vaca-hombre, ocurre una magnificación biológica similar, aunque menos definida.

Los efectos ecológicos indirectos de la guerra nuclear se concentran más allá de todo cálculo, pero es probable que en un intercambio nuclear en el cual dos naciones estuviesen involucradas, destruiría casi todos los ecosistemas terrestres, porque los residuos nucleares aéreos son arrastrados alrededor del globo por la circulación atmosférica.

LAS ARMAS NUCLEARES

El arma nuclaear es un ingenio cuya explosión proviene de una reacción nuclear y comprende, por tanto, las armas atómicas o de fisión y las termo-nucleares o de fusión.

En las primeras, la enorme cantidad de energía liberada se produce al escindir el núcleo de un átomo pesado con obtención de otros dos más ligeros. En las segundas, al fusionarse dos átomos ligeros que dan lugar a otro más pesado. De ahí los elementos químicos que se utilizan para cada uno de estos tipos de bomba, los muy pesados (uranio y plutonio) para la atómica y el más ligero (hidrógeno) para la termonuclear. Esta última requiere, a su vez, una bomba de fisión a modo de detonador por lo que, en cualquier caso, el elemento básico es el uranio o el plutonio fisionables.

De todos los isótopos de dichos elementos químicos, hasta ahora se utilizan el U 235 y el Pu 239, la obtención de los cuales exige complicados procesos industriales.

En el uranio que se encuentra en la naturaleza, sólo un 0,711% corresponde a isótopo U 235 y como para ser utilizado en una reacción de fisión ha de tener una riqueza del 90% es preciso un proceso de enriquecimiento. El más corriente es el de difusión gaseosa: uranio natural refinado es convertido en gas, hexafluoruro de uranio, que al pasar por difusión a través de una serie de membranas permite separar las moléculas más ligeras ricas en U 235, con retención de las más pesadas, de U 238. En cuanto al otro elemento utilizable, el Pu 239, se obtiene partiendo del combustible de un reactor nuclear, normalmente el isótopo U 238. Para lograr plutonio rico en Pu 239 el combustible debe ser retirado del reactor, una vez ha capturado neutrones suficientes que proceden de la reacción de fisión, mucho antes de lo que resulta económico desde el punto de vista de producción de energía industrial. Por esta razón, cualquier país que cuente con reactores nucleares de uso civil está en condiciones, al menos teóricas, de disponer de materiales fisionables de empleo militar. La producción, sin embargo, suele ser pequeña; así, el reactor de la Moncloa, español, obtiene menos de medio kilogramo al año. La cantidad precisa para armar un ingenio atómico, del orden de 50 a 100 kilotones, es de 5,5 kg de plutonio o 17,5 kg de uranio enriquecido.

En las armas termonucleares la reacción de fusión, iniciada por medio de una bomba de fisión, requiere deuterio y tritio o bien litio. De los tres componentes el único cuya obtención exige técnicas especiales, en reactor o pila atómica, es el tritio. El tipo de ingenio termonuclear de mayor potencia corresponde al denominado FFF en el que, sucesivamente, se producen reacciones de fisión-fusión-fisión. Consiste, en esencia, en una bomba H recubierta con una envuelta gruesa de U 238 que se fisiona debido al bombardeo de neutrones liberados por la fusión del hidrógeno y el litio de aquélla. Modalidades especiales de las armas nucleares son la bomba de neutrones y la de cobalto. La bomba de neutrones es una pequeña bomba de fusión termonuclear que emite un flujo de neutrones, los cuales, al atravesar los tejidos de cualquier organismo viviente, provocan su ionización descomponiendo las moléculas. No importa que ser vivo moriría en un radio de 3 km2 del punto de impacto de una bomba de 1 KT. Esta terrible arma, puesta a punto en 1980, no causa daños en los edificios que pueden ser utilizados de nuevo finalizado el ataque. De ahí su importancia táctica y estratégica. Por su parte, la bomba de cobalto, que parece haber sido desechada por el momento, tiene una radiactividad superior a las bombas 11, y su explosión entrañaría un grado tal de contaminación letal que el área afectada quedaría inutilizada para albergar ningún tipo de vida probablemente, durante centenares o miles de años.

En general, las armas nucleares actúan mediante tres efectos: onda de presión, térmico y radiactivo. El primero, similar al de los explosivos clásicos si bien mucho mas poderoso. El segundo adquiere gravedad, en los seres vivos, si la explosión sorprende sin estar protegido. Las radiaciones -de escaso alcance las alfa y beta y gran penetración las gamma y los neutrones actúan por efectos directos y por contaminación. Esta, a su vez, directa o motivada por la lluvia radiactiva o descenso lento de partículas radiactivas de la atmósfera procedentes de una explosión nuclear. La cantidad de radiación recibida, concretamente dosis de rayos gamma, se mide en roetgens. En los seres vivos los efectos nocivos se acusan a partir de dosis de 100 roetgens, resultan letales las de 650 roetgens y en los 450 se sitúa la dosis que produce un 50 por ciento de casos mortales.

La potencia de las armas nucleares oscila, en explosiones llevadas a cabo hasta 1973, entre un máximo de 50 megatones (MT, equivalente a 1000 KT y a la explosión de un millón de toneladas de TNT) y la fracción de Kilotón (KT equivale a 1 000 toneladas de TNT). Las armas desplegadas por las naciones con capacidad nuclear se mueven, prácticamente, en estos limites. Así, los mísiles soviéticos SS-18 montan una cabeza de 18-25 MT, mientras que sus equivalentes norteamericanos suelen tener una potencia menor, pero van provistos de cabezas múltiples ( 3 de 170 KT los Minuteman y 14 de 50 KT los Trident). Las armas de empleo táctico, como las disparadas mediante obuses de 155 mm, son del orden de 2 KT.

B0MBAS

LA BOMBA ATÓMICA

El principio de funcionamiento de la bomba atómica no es distinto del aplicado en los reactores de las centrales electronucleares. Pero en la bomba, la ingente producción de energía-calor se utiliza para obtener una enorme onda de choque y el consecuente efecto destructivo. A este se añaden los daños debidos a la radiactividad, que duran mucho tiempo en los supervivientes.

En forma peculiar, en cada reacción de fisión se producen dos o tres neutrones. Estos pueden chocar con otros átomos fisionables para preservar y expandir el proceso. Si se coloca suficiente material fisionable, o masa crítica en un volumen suficientemente pequeño puede iniciarse una reacción en cadena explosiva. En caso de que haya pocos átomos fisionables presentes, la mayoría de los neutrones escapa y no se efectúa la reacción en cadena de fisión.

Un tipo de bomba atómica contiene dos porciones suberíticas de material fisionable, como ser cantidades calculadas de uranio (o plutonio) para alcanzar la llamada masa crítica, esto es, una masa para la cual se establece una reacción en cadena. Se pretende que la reacción sea incontrolable, liberando una enorme cantidad de energía y fortísimas dosis de radiactividad (partículas penetrantes y rayos gamma, las ondas electromagnéticas mas energéticas). Se hace que una porción penetre violentamente en la otra para formar una masa supercrítica mediante la explosión previa de una carga de un explosivo tradicional como el trinitrotolueno (TNT). Como resultado se produce una explosión de fisión nuclear. Se liberan cantidades considerables de energía calorífica y diversos radionuclidos cuyos efectos son devastadores para la vida y el medio. El polvo y los desperdicios radiactivos se llaman lluvia radiactiva.

LA BOMBA DE HIDROGENO

En la bomba de hidrógeno se libera energía por medio de una reacción de fusión nuclear. La fusión se produce cuando dos núcleos de elementos químicos determinados se unen para dar lugar a núcleos de otros elementos.

La bomba de hidrógeno utiliza formas particulares de hidrógeno (deuterio, llamada hidrógeno pesado, y tritio) para formar núcleos de helio. De ahí el nombre de bomba de hidrógeno con el cual se conoce este ingenio. La reacción de fusión sólo se produce si se suministra mucha energía a los átomos: en la bomba esta energía la proporciona la explosión de una "bomba atómica". En el proceso de fusión hay una perdida de masa, porque el núcleo de helio tiene una masa menor que la suma de los núcleos de deuterio y tritio. La masa perdida se convierte en energía de efectos destructivos

LA GUERRA NUCLEAR

Jamás ha habido duda alguna en la mente de las personas informadas, acerca de que una guerra nuclear tendría efectos desastrosos que ni siquiera podemos imaginar, pero durante mucho tiempo, se prestó muy poca atención a las probables consecuencias ecológicas del intercambio nuclear. En un congreso de dos días, en otoño de 1983, los científicos llegaron a la conclusión de que las consecuencias de la guerra nuclear serían, por mucho, las más serias, excediendo las lesiones inmediatas y muerte, y produciendo un horrendo clímax en el despojo ambiental de nuestra civilización.

La concentración biológica de isótopos como el estroncio-90, se ha estudiado desde el decenio de 1950 y, es obvio que, incluso, un intercambio nuclear limitado produciría una contaminación ambiental de enormes alcances por la lucha radiactiva. También es claro, desde hace tiempo, que gran parte de la capa protectora de ozono se destruiría por la acción de los óxidos de nitrógeno generados por la guerra nuclear. Lo que resulta nuevo es una concientización de lo que el humo, hollín y tierra pulverizada, producidos por las explosiones nucleares, provocarían en el ambiente de la Tierra.

Ya antes ha entrado polvo disperso en la atmósfera de la Tierra. Hay algunos datos (y otras especulaciones) de que el polvo desprendido por el bombardeo de asteroides en la Tierra pudo ser responsable de la gran extinción de especies que se observa en el registro fosilífero. Incluso en tiempo históricos, grandes erupciones volcánicas han desprendido gran cantidad de ceniza en la atmósfera, lo cual produjo un cambio climático marcado, aunque temporal. La erupción del volcán Tambora, de Indonesia, en 1815, disperso cerca de 25 millas cúbicas, de las cuales una buena parte no cayó en la tierra de inmediato. Esto produjo un desastre en la agricultura de 1816, el "año sin verano", en el cual hubo tres heladas de muerte durante la época de crecimiento de Nueva Inglaterra y privaciones externas, en el hemisferio Norte.

Parece ser probable que el polvo y hollín de un intercambio nuclear, incluso si éste fuera "moderado", oscurecería la luz del Sol en todo el hemisferio Norte, y quizá también en el Sur. Aun en verano, las temperaturas caerían inmediatamente, debajo del punto de congelación, llegando quizá, hasta -15 o -20 °C. El frío persistiría congelando grandes cuerpos de agua, en muchos casos hasta el fondo. Como los océanos permanecerían más o menos calientes por un tiempo considerable, la marcada diferencia de temperaturas entre el agua y la tierra produciría tormentas de una violencia sin paralelo. La oscuridad y el frío prolongadas podrían causar la muerte de muchos animales y plantas, y quizá la mayor parte de ellos se extinguiría, según los conferencistas. Esto se aplica en especial a la vida tropical, pero incluso las especies de zonas templadas sufrirían una reducción, en especial si el intercambio ocurriera en verano.

Aunque la recuperación ecológica ocurriría en unos pocos años, la agricultura convencional sería imposible, no sólo por la alteración climática, sino por la destrucción de las necesidades agrícolas de origen industrial, como fertilizantes vegetales, combustible y maquinaria agrícola, y otros. La gente hambrienta tendría que cazar y los pocos animales sobrevivientes quizá también morirían de inanición. Además, las enfermedades por radiaciones y otros estados patológicos, producidas por la contaminación química resultante de incendio de materiales sintéticos, debilitarían incluso a los supervivientes.

Los autores de un artículo, resumen las conclusiones de la conferencia enfatizando que los supervivientes, al menos en el hemisferio Norte, padecerían frío, escasez de agua, de alimento y combustible, consecuencias pesadas de la radiación y contaminantes, enfermedad, estrés psicológico y, todo esto, en penumbra u oscuridad. Los autores, también opinaron que casi todas las plantas tropicales se extinguirían, al igual que la mayor parte de los vertebrados de zonas templadas.

Este tema ha sido estudiado desde 1983, por varios gobiernos y agencias; aunque estos estudios moderan un poco las conclusiones originales, en general los cambios mínimos. Incluso una moderada reducción en la temperatura de la Tierra, casi son certeza produciría hambruna y sufrimiento de una magnitud sin precedentes, en especial en el hemisferio Norte. La recuperación de nuestra civilización industrial, puede no ser tan improbable como los conferencistas aseguran, pero de ninguna manera está garantizada.

PROPULSIÓN NUCLEAR

Es la propulsión obtenida por medio de un aparato motor que emplea combustible nuclear. En la actualidad, los motores de este tipo están constituidos esencialmente por turbinas de vapor de agua cuyo fluido motor se produce en generadores de vapor que emplean combustible nuclear.

Estos motores se utilizan en la marina, en especial en los submarinos lanzamisiles estratégicos, que se benefician así de una autonomía y unas características de funcionamiento en inmersión que de otra forma no serian posibles.

Otras Aplicaciones

Además de la energía nuclear y todo lo relacionado a ello el uranio tambien se utiliza para blindaje, dispositivos inerciales de orientación u otros usos médicos o industriales.

El 235U puede ser concentrado por difusión gaseosa u otros procedimientos físicos y utilizarse directamente como combustible nuclear, en lugar del uranio natural, o usarse como explosivo, como hemos visto en el apartado anterior.

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