ENERGIA NUCLEAR
INTRODUCCION
La energía es la capacidad
que poseen los cuerpos para producir Trabajo, es decir, la cantidad de
energía que contienen los cuerpos se mide por el trabajo que son capaces de realizar. La energía nuclear es
aquella que se libera como resultado de una reacción nuclear. Se puede
obtener por el proceso de Fisión Nuclear (división de
núcleos atómicos pesados) o bien por Fusión Nuclear
(unión de núcleos atómicos muy livianos). En las
reacciones nucleares se libera una gran cantidad de energía debido a que
parte de la masa de las partículas involucradas en el proceso se
transforma directamente en energía. Lo anterior se puede explicar
basándose en la relación Masa-Energía, producto de la
genialidad del gran físico Albert Einstein.
Para conocer a la energía
nuclear primero debemos saber qué es, cómo se transforma y
obtiene la energía, y los diferentes tipos de energía. De igual
forma se debe tener un conocimiento claro de los conceptos básicos
utilizados en la física nuclear. Los primeros pasos que dio el hombre
para la obtención y transformación de esta clase de
energía data de los años 1930-1945, cuando se obtuvo en forma
artificial y controlada esta forma de energía para la construcción
de la primera bomba atómica. Desde entonces se han realizado adelantos e
investigaciones en este campo para su aplicación en beneficio de la
humanidad.
ENERGIA
La Energía es un concepto
esencial en la Ciencia. La más básica de sus definiciones indica
que se trata de la capacidad que poseen los cuerpos para producir Trabajo; por
lo tanto la cantidad de energía que contienen los cuerpos se mide por el
trabajo que son capaces de realizar. La realidad del
mundo físico demuestra que la energía, siendo única, puede
presentarse bajo diversas Formas capaces de transformarse unas a otras.
Algunas formas básicas de
energía son:
Energía Mecánica, aquella que poseen los cuerpos en movimiento, o
bien la interacción gravitatoria. Energía
Electromagnética: Generada por Campos Electrostáticos, Campos
Magnéticos o bien por Corrientes Eléctricas. Energía
Térmica: Energía interna de los cuerpos que se manifiesta
externamente en forma de Calor. Energía Química: Energía
que poseen los compuestos y que se pone de manifiesto por el proceso de
conversión generado en una reacción química.
Energía Metabólica: Es la generada por los organismos vivos
gracias a procesos químicos de oxidación como producto de los alimentos
que ingieren.
Fuentes y transformaciones de energía.
Las fuentes de energía se pueden clasificar en: Fuentes de
energía renovables: Las energías renovables son aquellas que
llegan en forma continua a la Tierra y que a escalas de tiempo real parecen ser
inagotables.
ENERGIAS RENOVABLES
Energía Hidráulica: Es aquella energía obtenida
principalmente de las corrientes de agua de los ríos. El agua de un
río se almacena en grandes embalses artificiales que se ubican a gran
altura respecto de un nivel de referencia. El agua adquiere una importante
cantidad de energía potencial (aquella que poseen los cuerpos que se
encuentran a cierta altura respecto de un nivel de referencia). Posteriormente,
el agua se deja caer por medio de conductos hasta el nivel de referencia, por
lo que su energía potencial se transforma en energía
cinética (aquella que posee un cuerpo gracias a su estado de movimiento).
La energía cinética de las caídas de agua se aprovecha,
por ejemplo, para mover turbinas generadoras de electricidad: tal es el
principio de las Centrales Hidroeléctricas.
Energía Solar: Es la energía que llega a la
Tierra proveniente de la estrella más cercana a nuestro planeta: El Sol.
Esta energía abarca un amplio espectro de Radiación
Electromagnética, donde la luz solar es la parte visible de tal
espectro. La energía solar es generada por la llamada Fusión Nuclear
que es la fuente de vida de todas las estrellas del Universo. El hombre puede
transformar la energía solar en energía térmica o
eléctrica. En el primer caso la energía solar es aprovechada para
elevar la temperatura de un fluido, como por ejemplo el agua, y en el segundo
caso la energía luminosa del sol transportada por sus fotones de luz
incide sobre la superficie de un material semiconductor (ej.: el silicio),
produciendo el movimiento de ciertos electrones que componen la estructura
atómica del material. Un movimiento de electrones produce una corriente
eléctrica que se puede utilizar como fuente de energía de
componentes eléctricos o bien electrónicos. Es el caso del
principio de funcionamiento de las calculadoras solares.
Energía Eólica: Esta energía es producida por los
vientos generados en la atmósfera terrestre. Se puede transformar en energía
eléctrica mediante el uso de turbinas eólicas que basan su
funcionamiento en el giro de aspas movidas por los vientos. Bajo el mismo
principio se puede utilizar como mecanismo de extracción de aguas
subterráneas o de ciertos tipos de molinos para la agricultura. Al igual
que la energía solar se trata de un tipo de energía limpia, la
cual sin embargo presenta dificultades, pues no existen en la naturaleza flujos
de aire constantes en el tiempo, más bien son dispersos e intermitentes.
Este tipo de energía puede ser de gran utilidad en regiones aisladas y
de difícil acceso y que tienen necesidades de energía
eléctrica, y cuyos vientos son apreciables en el transcurso del
año.
Biomasa: Esta energía se obtiene de ciertos
compuestos orgánicos que se han producido en el tiempo por procesos
naturales, es decir, producto de transformaciones químicas y
biológicas sobre algunas especies vegetales o bien sobre ciertos materiales.
Un ejemplo de tal proceso lo constituyen los residuos forestales, los residuos
de la agricultura y los residuos domésticos. Estos residuos se
transforman con posterioridad en combustibles. En el caso de los residuos
domésticos es necesario como paso previo a la obtención de
energía, un plan amplio para la adecuada clasificación de las
basuras y su posterior reciclaje.
Energía Mareomotriz: Es la energía obtenida del movimiento
de las mareas y las olas del mar. El Movimiento de mareas es generado por la
interacción gravitatoria entre la Tierra y la Luna. Tal movimiento se
utiliza para traspasar energía cinética a generadores de electricidad.
La gran dificultad para la obtención de este tipo de energía es
por una parte su alto costo y el establecimiento de un lugar apto
geográficamente para confinar grandes masas de agua en recintos
naturales.
ENERGIAS NO RENOVABLES
Son fuentes de energía no
renovables aquellas que se encuentran en forma limitada en nuestro planeta y se
agotan a medida que se les consume. Son fuentes de energía no
renovables: El Carbón, El Petróleo, El Gas Natura, La
Energía Geotérmica y La Energía Nuclear.
El Carbón. Es un combustible fósil, formado
por la acumulación de vegetales durante el Periodo Carbonífero de
la era Primaria de nuestro planeta. Estos vegetales a lo largo del tiempo han
sufrido el encierro en el subsuelo terrestre, experimentando cambios de
presión y temperatura, lo que ha posibilitado la acción de
reacciones químicas que los han transformado en variados tipos de
carbón mineral.
El Petróleo. Es un aceite natural de origen mineral
constituido por una mezcla de hidrocarburos. Estos hidrocarburos se producen
por antiguos restos de organismos vegetales, organismos acuáticos y
organismos vivos depositados en las profundidades de la corteza terrestre en
forma de sedimentos.
El Gas Natural. Es una mezcla de gases combustibles
depositados en forma natural en el subsuelo de la Tierra y que poseen un gran poder
calorífico. En ocasiones los yacimientos de gas natural se encuentran
acompañados por yacimientos de petróleo. El principal componente
del gas natural es el metano y en menor proporción los gases de etano,
propano y butano.
Energía Geotérmica. Energía contenida también
en el interior de la Tierra en forma de gases. Al ser extraída se
presenta en forma de gases de alta temperatura (fumarolas), en forma de vapor y
agua hirviendo (geiser) y en forma de agua caliente (fuentes termales).
Energía Nuclear. La energía nuclear es aquella que se libera como
resultado de una reacción nuclear. Se puede obtener por el proceso de
Fisión Nuclear (división de núcleos atómicos
pesados) o bien por Fusión Nuclear (unión de núcleos
atómicos muy livianos). En las reacciones nucleares se libera una gran
cantidad de energía debido a que parte de la masa de las
partículas involucradas en el proceso se transforma directamente en
energía. Lo anterior se puede explicar basándose en la
relación Masa-Energía producto de la genialidad del gran
físico Albert Einstein. Con relación a la liberación
de energía, una reacción nuclear es un millar de veces más
energética que una reacción química: por ejemplo, la
generada por la combustión del combustible fósil metano.
FISICA
NUCLEAR
Cinco siglos antes de Cristo, los
filósofos griegos se preguntaban si la materia podía ser dividida
indefinidamente o si llegaría a un punto que tales partículas
fueran indivisibles. Es así, como Demócrito formula la teoría
de que la materia se compone de partículas indivisibles, a las que
llamó átomos (del griego átomos, indivisible). En 1803 el
químico inglés John Dalton propone una nueva teoría sobre
la constitución de la materia. Según Dalton toda la materia se
podía dividir en dos grandes grupos: los elementos y los compuestos. Los
elementos estarían constituidos por unidades fundamentales, que en honor
a Demócrito, Dalton denominó átomos. Los compuestos se
constituirían de moléculas, cuya estructura viene dada por la
unión de átomos en proporciones definidas y constantes. La teoría
de Dalton seguía considerando el hecho de que los átomos eran
partículas indivisibles.
Hacia finales del siglo XIX, se
descubrió que los átomos no son indivisibles, pues se componen de
varios tipos de partículas elementales. La primera en ser descubierta
fue el electrón en el año 1897 por el investigador Sir Joseph
Thomson, quién recibió el Premio Nobel de Física en 1906.
Posteriormente, Hantaro Nagaoka (1865-1950) durante sus trabajos realizados en
Tokio, propone su teoría según la cual los electrones
girarían en órbitas alrededor de un cuerpo central cargado
positivamente, al igual que los planetas alrededor del Sol. Hoy día
sabemos que la carga positiva del átomo se concentra en un denso
núcleo muy pequeño, en cuyo alrededor giran los electrones.
El
núcleo del átomo se descubre gracias a los trabajos realizados en
la Universidad de Manchester, bajo la dirección de Ernest Rutherford
entre los años 1909 a 1911. El experimento utilizado consistía en
dirigir un haz de partículas de cierta energía contra una plancha
metálica delgada, de las probabilidades que tal barrera desviara la
trayectoria de las partículas, se dedujo la distribución de la
carga eléctrica al interior de los átomos.
Constitución del Átomo
y Modelos Atómicos
La
descripción básica de la constitución atómica,
reconoce la existencia de partículas con carga eléctrica
negativa, llamados electrones, los cuales giran en diversas órbitas
(niveles de energía) alrededor de un núcleo central con carga
eléctrica positiva.
El átomo en su conjunto y
sin la presencia de perturbaciones externas es eléctricamente neutro. El
núcleo lo componen los protones con carga eléctrica positiva, y
los neutrones que no poseen carga eléctrica. El tamaño de los
núcleos atómicos para los diversos elementos están
comprendidos entre una cienmilésima y una diezmilésima del
tamaño del átomo.
La
cantidad de protones y de electrones presentes en cada átomo es la
misma. Esta cantidad recibe el nombre de número atómico, y se
designa por la letra "Z". A la cantidad total de protones más
neutrones presentes en un núcleo atómico se le llama
número másico y se designa por la letra "A". Si
designamos por "X" a un elemento químico cualquiera, su
número atómico y másico se representa por la siguiente
simbología:
ZXA
Por
ejemplo, para el Hidrogeno tenemos: 1H1. Si bien, todas
las características anteriores de la constitución atómica,
hoy en día son bastante conocidas y aceptadas, a través de la historia
han surgido diversos modelos que han intentado dar respuesta sobre la estructura
del átomo. Algunos de tales modelos son los siguientes:
El Modelo de Thomson
Thomson sugiere un modelo
atómico que tomaba en cuenta la existencia del electrón,
descubierto por él en 1897. Su modelo era estático, pues
suponía que los electrones estaban en reposo dentro del átomo y
que el conjunto era eléctricamente neutro. Con este modelo se
podían explicar una gran cantidad de fenómenos atómicos
conocidos hasta la fecha. Posteriormente, el descubrimiento de nuevas
partículas y los experimentos llevado a cabo por Rutherford demostraron la inexactitud de tales ideas.
El Modelo de Rutherford
Basado en los resultados de su
trabajo que demostró la existencia del núcleo atómico,
Rutherford sostiene que casi la totalidad de la masa del átomo se concentra
en un núcleo central muy diminuto de carga eléctrica positiva.
Los electrones giran alrededor del núcleo describiendo órbitas
circulares. Estos poseen una masa muy ínfima y tienen carga
eléctrica negativa. La carga eléctrica del núcleo y de los
electrones se neutralizan entre sí, provocando
que el átomo sea eléctricamente neutro. El modelo de Rutherford
tuvo que ser abandonado, pues el movimiento de los electrones suponía
una pérdida continua de energía, por lo tanto, el electrón
terminaría describiendo órbitas en espiral, precipitándose
finalmente hacia el núcleo. Sin embargo, este modelo sirvió de
base para el modelo propuesto por su discípulo Neils Bohr, marcando el
inicio del estudio del núcleo atómico, por lo que a Rutherford se
le conoce como el padre de la era nuclear.
El Modelo de Bohr
El físico danés
Niels Bohr (Premio Nobel de Física 1922), postula que los electrones
giran a grandes velocidades alrededor del núcleo atómico. Los
electrones se disponen en diversas órbitas circulares, las cuales
determinan diferentes niveles de energía. El electrón puede
acceder a un nivel de energía superior, para lo cual necesita
"absorber" energía. Para volver a su nivel de energía
original es necesario que el electrón emita la energía absorbida
(por ejemplo en forma de radiación). Este modelo, si bien se ha
perfeccionado con el tiempo, ha servido de base a la moderna física
nuclear.
Modelo Cuántico
Se
inicia con los estudios del físico francés Luis De Broglie,
quién recibió el Premio Nobel de Física en 1929.
Según De Broglie, una partícula con cierta cantidad de movimiento
se comporta como una onda. En tal sentido, el electrón tiene un comportamiento
dual de onda y corpúsculo, pues tiene masa y se mueve a velocidades
elevadas. Al comportarse el electrón como una onda, es difícil
conocer en forma simultánea su posición exacta y su velocidad,
por lo tanto, sólo existe la probabilidad de encontrar un
electrón en cierto momento y en una región dada en el
átomo, denominando a tales regiones como niveles de energía. La
idea principal del postulado se conoce con el nombre de Principio de
Incertidumbre de Heisenberg.
RADIACTIVIDAD
Radiactividad Natural
En Febrero de 1896, el
físico francés Henri Becquerel investigando con cuerpos
fluorescentes (entre ellos el Sulfato de Uranio y el Potasio), halló una
nueva propiedad de la materia a la que posteriormente Marie Curie llamó
"Radiactividad". Se descubre que ciertos elementos tenían la propiedad
de emitir radiaciones semejantes a los rayos X en forma espontánea. Tal
radiación era penetrante y provenía del cristal de Uranio sobre
el cual se investigaba. Marie y Pierre Curie al proseguir los estudios
encontraron fuentes de radiación natural bastante más poderosas
que el Uranio original, entre estos el Polonio y el Radio. La radiactividad del
elemento no dependía de la naturaleza física o química de
los átomos que lo componen, sino que era una propiedad radicada en el
interior mismo del átomo. Hoy en día se conocen más de 40
elementos radiactivos naturales, que corresponden a los elementos más
pesados. Por encima del número atómico 83, todos los
núcleos naturales son radiactivos.
Desintegraciones Alfa, Beta, Gamma.
La radiactividad es un
fenómeno que se origina exclusivamente en el núcleo de los
átomos radiactivos. La causa que los origina probablemente se debe a la
variación en la cantidad de partículas que se encuentran en el núcleo.
Cuando el núcleo atómico es inestable a causa del gran
número de protones que posee (ocurre en los elementos más pesados,
es decir con Z = 83 o superior), la estabilidad es alcanzada, con frecuencia,
emitiendo una partícula alfa, es decir, un núcleo de Helio (2He4)
formado por dos protones y dos neutrones.
Cuando la relación de
neutrones/protones en un núcleo atómico es elevada, el
núcleo se estabiliza emitiendo un neutrón, o bien como ocurre con
frecuencia, emitiendo una partícula beta, es decir, un electrón.
Cuando la relación de
neutrones/protones es muy pequeña, debe ocurrir una disminución
en el número de protones o aumentar el número de neutrones para
lograr la estabilidad del núcleo. Esto ocurre con la emisión de
un electrón positivo o positrón, o bien absorbiendo el
núcleo un electrón orbital. Los rayos gamma son ondas
electromagnéticas de gran energía, muy parecidos a los rayos X, y
en ciertas ocasiones se presentan cuando ocurre una desintegración de
partículas beta, o bien una emisión de positrones.
Por lo tanto, la radiación
gamma no posee carga eléctrica y su naturaleza ondulatoria permite
describir su energía en relación a su frecuencia de
emisión.
Radiactividad Artificial
Al
bombardear diversos núcleos atómicos con partículas alfa
de gran energía, se pueden transformar en un núcleo diferente,
por lo tanto, se transforma en un elemento que no existe en la naturaleza. Los
esposos Irene Curie y Frédéric Joliot, experimentando con tales procesos
descubren la radiactividad artificial, pues se percatan que al bombardear
ciertos núcleos con partículas procedentes de fuentes radiactivas
estos se vuelven radiactivos. Si la energía de las partículas es
adecuada, entonces puede penetrar en el núcleo generando su
inestabilidad y por ende, induciendo su desintegración radiactiva. Desde
el descubrimiento de los primeros elementos radiactivos artificiales, el hombre
ha logrado en el tiempo obtener una gran cantidad de ellos. Es clave en este
proceso la aparición de los llamados aceleradores de partículas y
de los reactores nucleares. Estos últimos son fuente importante de
neutrones que son utilizados para producir gran variedad de
radioisótopos.
Radiaciones
Radiaciones Ionizantes.
Son radiaciones con
energía necesaria para arrancar electrones de los átomos. Cuando
un átomo queda con un exceso de carga eléctrica, ya sea positiva
o negativa, se dice que se ha convertido en un ion (positivo o negativo).Son
radiaciones ionizantes los rayos X, las radiaciones alfa, beta, gamma y la
emisión de neutrones. La radiación cósmica (proveniente
del Sol y del espacio interestelar) también es un tipo de
radiación ionizante, pues está compuesta por radiaciones
electromagnéticas y por partículas con gran cantidad de
energía. Es así como, los llamados rayos cósmicos blandos,
se componen principalmente de rayos gamma, electrones o positrones, y la radiación
cósmica primaria (que llega a las capas más altas de la atmósfera)
se compone fundamentalmente de protones. Cuando la radiación
cósmica interactúa con la atmósfera de la Tierra, se
forman en ella átomos radiactivos (como el Tritio y el Carbono-14) y se
producen partículas alfa, neutrones o protones. Las radiaciones
ionizantes pueden provocar reacciones y cambios químicos con el material
con el cual interaccionan. Por ejemplo, son capaces de romper los enlaces
químicos de las moléculas o generar cambios genéticos en células
reproductoras.
Radiaciones No Ionizantes.
Son aquellas que no son capaces
de producir iones al interactuar con los átomos de un material. Las
radiaciones no ionizantes se pueden clasificar en dos grandes grupos: los
campos electromagnéticos y las radiaciones ópticas. Dentro de los
campos electromagnéticos se pueden distinguir aquellos generados por las
líneas de corriente eléctrica o por campos eléctricos
estáticos. Otros ejemplos son las ondas de radiofrecuencia, utilizadas
por las emisoras de radio en sus transmisiones, y las microondas utilizadas en
electrodomésticos y en el área de las telecomunicaciones. Entre
las radiaciones ópticas se pueden mencionar los rayos láser, los
rayos infrarrojos, la luz visible y la radiación ultravioleta. Estas
radiaciones pueden provocar calor y ciertos efectos fotoquímicos al
actuar sobre el cuerpo humano.
Fisión Nuclear. Es una reacción nuclear que tiene
lugar por la rotura de un núcleo pesado al ser bombardeado por neutrones
de cierta velocidad. A raíz de esta división el núcleo se
separa en dos fragmentos acompañado de una emisión de
radiación, liberación de 2 o 3 nuevos neutrones y de una gran
cantidad de energía (200 MeV) que se transforma finalmente en calor. Los
neutrones que escapan de la fisión, al bajar su energía
cinética, se encuentran en condiciones de fisionar otros núcleos
pesados, produciendo una Reacción Nuclear en Cadena. Cabe
señalar, que los núcleos atómicos utilizados son de Uranio
- 235. El proceso de la fisión permite el funcionamiento de los
Reactores Nucleares que actualmente operan en el mundo.
Fusión Nuclear. La fusión nuclear ocurre cuando
dos núcleos atómicos muy livianos se unen, formando un
núcleo atómico más pesado con mayor estabilidad. Estas
reacciones liberan energías tan elevadas que en la actualidad se estudian
formas adecuadas para mantener la estabilidad y confinamiento de las
reacciones. La energía necesaria para lograr la unión de los
núcleos se puede obtener utilizando energía térmica o bien
utilizando aceleradores de partículas. Ambos métodos buscan que
la velocidad de las partículas aumente para así vencer las
fuerzas de repulsión electrostáticas generadas al momento de la
colisión necesaria para la fusión.
Para
obtener núcleos de átomos aislados, es decir, separados de su
envoltura de electrones, se utilizan gases sobrecalentados que constituyen el
denominado Plasma Físico. Este proceso es propio del Sol y las
estrellas, pues se tratan de gigantescas estructuras de mezclas de gases
calientes atrapadas por las fuerzas de gravedad estelar. El confinamiento de
las partículas se logra utilizando un "Confinamiento
Magnético", o bien un "Confinamiento Inercial". El
Confinamiento Magnético aprovecha el hecho que el plasma está compuesto
por partículas (núcleos) con carga eléctrica. Se sabe que
si una de estas partículas interactúa con un Campo
Magnético su trayectoria y velocidad cambian, quedando atrapadas por
dicho Campo. El Confinamiento Inercial permite comprimir el plasma hasta
obtener densidades de 200 a 1000 veces mayor que la de sólidos y
líquidos. Cuando se logra la compresión deseada se eleva la temperatura
del elemento, lo que facilita aún más el proceso de la
fusión.
La
fusión nuclear se puede representar por el siguiente esquema y
relación de equilibrio:
2H + 2H = 3He + 1n + 3,2
MeV
INTERACCION DE LA RADIACION
IONIZANTE CON LA MATERIA
El efecto inmediato de las
radiaciones ionizantes al interactuar con la materia es la ionización,
es decir la creación de iones positivos o negativos. Otro efecto que
genera la radiación ionizante es conocido con el nombre de
"excitación del átomo". La excitación ocurre
cuando un electrón salta a una órbita o nivel de energía
superior, para después volver a su órbita original, emitiendo
energía en el transcurso del proceso.
Interacción de las
Radiaciones Alfa con la Materia.
La partícula alfa se compone de 2 protones y 2 neutrones. Su poder de
penetración en la materia es muy bajo y sólo es capaz de recorrer
algunos centímetros en el aire. Su corto recorrido describe una
trayectoria prácticamente en línea recta. Cuando penetra la
materia presenta un alto poder de ionización, formando verdaderas
columnas de iones (cuando penetra en un centímetro de aire puede
producir hasta 30.000 pares de iones).
Interacción de la
Radiaciones Beta con la Materia.
La masa de las partículas beta (electrones negativos) es muy
pequeña, por lo tanto, su movilidad es mayor respecto de las
partículas alfa. Durante su recorrido cambia fácilmente de
trayectoria y su alcance y poder de penetración es mayor. Además,
su poder de ionización es inferior, respecto de la partícula
alfa. Si una partícula beta se acerca a un núcleo atómico,
desvía su trayectoria y pierde parte de su energía (se
"frena"). La energía que ha perdido se transforma en rayos X.
Este proceso recibe el nombre de "Radiación de Frenado". Otra
interesante reacción ocurre cuando una partícula beta colisiona
con un positrón (electrón positivo). En este proceso, ambas
partículas se aniquilan y desaparecen, liberando energía en forma
de rayos gamma.
Interacción de las
Radiaciones Gamma con la Materia. Las radiaciones gamma carecen de carga eléctrica, por lo
tanto, no sufren desviaciones en su trayectoria como producto de la
acción de campos eléctricos de núcleos atómicos o
electrones. Tales características permiten que la radiación gamma
sea capaz de traspasar grandes espesores de material y de ionizar
indirectamente las sustancias que encuentra en su recorrido. Un rayo gamma es
capaz de sacar un electrón de su órbita atómica. El
electrón arrancado producirá ionización en nuevos
átomos circundantes, lo que volverá a suceder hasta que se agote
toda la energía de la radiación gamma incidente.
Interacción de los Neutrones
con la Materia. Los neutrones
también carecen de carga eléctrica y no sufren la acción de
campos eléctricos ni magnéticos. Al igual que la radiación
gamma son capaces de atravesar grandes espesores de material. Cuando un
neutrón choca con un átomo le cede parte de su energía
mediante la acción de choques elásticos (la energía total
del sistema se mantiene constante) e inelásticos (la energía
total del sistema no se conserva). Como producto de los sucesivos choques el
neutrón pierde velocidad en forma gradual, hasta alcanzar una magnitud
de 2.200 metros/segundo.
A estos neutrones se les denomina
"Neutrones Térmicos". Si un neutrón colisiona con un
núcleo atómico y sus masas son muy parecidas, entonces el
neutrón pierde una gran cantidad de energía. Mayor será la
pérdida de energía mientras más se asemejen sus masas. Por
lo tanto, los choques que aseguran gran pérdida de energía
ocurren con los núcleos de los átomos de Hidrógeno. El
proceso por el cual los neutrones reducen su velocidad en forma gradual recibe
el nombre de "Termalización" o "Moderación de
Neutrones".
Los
neutrones térmicos se pueden desintegrar, formando un protón y un
electrón, o bien pueden ser absorbidos por los núcleos de los
átomos circundantes, dando lugar a reacciones nucleares, como por
ejemplo la fisión nuclear.
REACTORES NUCLEARES
Un Reactor Nuclear es una
instalación física donde se produce, mantiene y controla una
reacción nuclear en cadena. Por lo tanto, en un reactor nuclear se
utiliza un combustible adecuado que permita asegurar la normal producción
de energía generada por las sucesivas fisiones. Algunos reactores pueden
disipar el calor obtenido de las fisiones, otros sin embargo utilizan el calor
para producir energía eléctrica. El primer reactor construido en
el mundo fue en 1942, en dependencias de la Universidad de Chicago (USA), bajo
la atenta dirección del famoso investigador Enrico Fermi. De ahí
el nombre de "Pila de Fermi", como posteriormente se denominó
a este reactor. Su estructura y composición eran básicas si se le
compara con los reactores actuales existentes en el mundo, basando su
confinamiento y seguridad en sólidas paredes de ladrillos de grafito.
Elementos De Un Reactor Nuclear
1.
Núcleo 2. Barras de control 3. Generador de vapor 4. Presionador 5.
Vasija 6. Turbina 7. Alternador 8. Condensador 9. Agua de refrigeración
10. Agua de refrigeración 11. Contención de hormigón.
El Combustible: Material fisionable utilizado en
cantidades específicas y dispuesto en forma tal, que permite extraer con
rapidez y facilidad la energía generada. El combustible en un reactor se
encuentra en forma sólida, siendo el más utilizado el Uranio bajo
su forma isotópica de U-235. Sin embargo, hay elementos igualmente
fisionables, como por ejemplo el Plutonio que es un subproducto de la
fisión del Uranio. En la naturaleza existe poca cantidad de Uranio
fisionable, es alrededor del 0,7%, por lo que en la mayoría de los
reactores se emplea combustible "enriquecido", es decir, combustible
donde se aumenta la cantidad de Uranio 235.
Barras de Combustible: Son el lugar físico donde se
confina el Combustible Nuclear. Algunas Barras de Combustible contienen el
Uranio mezclado con Aluminio bajo la forma de láminas planas separadas
por una cierta distancia que permite la circulación de fluido para
disipar el calor generado. Las láminas se ubican en una especie de caja
que les sirve de soporte.
Núcleo del Reactor: Está constituido por las Barras de
Combustible. El núcleo posee una forma geométrica que le es característica,
refrigerado por un fluido, generalmente agua. En algunos reactores el
núcleo se ubica en el interior de una piscina con agua a unos 10 a 12
metros de profundidad, o bien en el interior de una vasija de presión
construida en acero.
Barras de Control: Todo reactor posee un sistema que permite
iniciar o detener las fisiones nucleares en cadena. Este sistema lo constituyen
las Barras de Control, capaces de capturar los neutrones que se encuentran en
el medio circundante. La captura neutrónica evita que se produzcan
nuevas fisiones de núcleos atómicos del Uranio. Generalmente las
Barras de Control se fabrican de Cadmio o Boro.
Moderador: Los neutrones obtenidos de la
fisión nuclear emergen con velocidades muy altas (neutrones
rápidos). Para asegurar continuidad de la reacción en cadena, es
decir, procurar que los "nuevos neutrones" sigan colisionando con los
núcleos atómicos del combustible, es necesario disminuir la
velocidad de estas partículas (neutrones lentos). Se disminuye la
energía cinética de los neutrones rápidos mediante choques
con átomos de otro material adecuado, llamado Moderador. Se utiliza como
Moderador el agua natural (agua ligera), el agua pesada, el Carbono (grafito), etc..
Refrigerante: El calor generado por las fisiones se
debe extraer del núcleo del reactor. Para lograr este proceso se
utilizan fluidos en los cuales se sumerge el núcleo. El fluido no debe
ser corrosivo, debe poseer gran poder de absorción calorífico y
tener pocas impurezas. Se puede utilizar de refrigerante el agua ligera, el
agua pesada, el anhídrido carbónico, etc..
Blindaje: En un reactor se produce gran cantidad de
todo tipo de Radiaciones, las cuales se distribuyen en todas direcciones. Para
evitar que los operarios del reactor y el medio externo sean sometidos
indebidamente a tales radiaciones, se utiliza un adecuado "Blindaje
Biológico" que rodea al reactor. Los materiales más usados
en la construcción de blindajes para un reactor son el agua, el plomo y
el hormigón de alta densidad, cuyo espesor es superior a los 1,5 metros.
Tipos De Reactores Nucleares.
Existen dos tipos de reactores:
Los Reactores de Investigación. Utilizan los neutrones generados en la
fisión para producir radioisótopos o bien para realizar diversos
estudios en materiales. Los Reactores de Potencia. Estos reactores utilizan el
calor generado en la fisión para producir energía
eléctrica, desalinización de agua de mar, calefacción, o
bien para sistemas de propulsión. Hay dos tipos de reactores de potencia
de mayor uso en el mundo: el Reactor de Agua en Ebullición y el Reactor
de Agua a Presión.
Reactor de Agua en
Ebullición (BWR). Ha
sido desarrollado principalmente en Estados Unidos, Suecia y Alemania. Utiliza
agua natural purificada como moderador y refrigerante. Como combustible dispone
de Uranio-238 enriquecido con Uranio-235, el cual como se sabe, facilita la
generación de fisiones nucleares. El calor generado por la reacciones en
cadena se utiliza para hacer hervir el agua. El vapor producido se introduce en
una turbina que acciona un generador eléctrico. El vapor que sale de la
turbina pasa por un condensador, donde es transformado nuevamente en agua líquida.
Posteriormente vuelve al reactor al ser impulsada por un
bomba adecuada. Consta de:
1 Núcleo del reactor 2.
Barras de control 3. Cambiador de calor (generador de vapor) 4. Presionador 5.
Vasija. 6. Turbina. 7. Alternador.8. Bomba. 9. Condensador.10. Agua de refrigeración.
11. Transformador. 12. Recinto de contención de hormigón
armado.13. Contención primaria de acero.
Reactor de Agua a Presión
(PWR). Es ampliamente
utilizado en Estados Unidos, Alemania, Francia y Japón. El refrigerante
es agua a gran presión. El moderador puede ser agua o bien grafito. Su
combustible también es Uranio-238 enriquecido con Uranio-235. El reactor
se basa en el principio de que el agua sometida a grandes presiones puede
evaporarse sin llegar al punto de ebullición, es decir a temperaturas
mayores de 100 °C. El vapor se produce a unos 600 °C, el cual pasa a un
intercambiador de calor donde es enfriado y condensado para volver en forma
líquida al reactor. En el intercambio hay traspaso de calor a un
circuito secundario de agua. El agua del circuito secundario, producto del
calor, produce vapor, que se introduce en una turbina que acciona un generador
eléctrico. Consta de:
1.
Núcleo del reactor. 2. Barras de control Cambiador de calor (generador
de vapor). 4. Presionador 5. Vasija 6. Turbina. 7. Alternador. 8. Bomba 9. Condensador
10. Agua de refrigeración. 11. Transformador. 12. Recinto de
contención de hormigón armado.
Existen
otros criterios para clasificar diversos tipos de reactores; según la
velocidad de los neutrones que emergen de las reacciones de fisión, se
habla de reactores rápidos o bien reactores térmicos.
Según el combustible utilizado: Hay reactores de Uranio natural (la
proporción de Uranio utilizado en el combustible es muy cercana a la que
posee en la naturaleza), de Uranio enriquecido (se aumenta la proporción
de Uranio en el combustible). Según el moderador utilizado: Se puede
utilizar como moderador el agua ligera, el agua pesada o el grafito.
Según el refrigerante utilizado: Se utiliza como refrigerante el agua
(ligera o pesada), un gas (anhídrido carbónico, aire), vapor de
agua, sales u otros líquidos. Estos materiales pueden actuar en cierto
tipo de reactores como refrigerante y moderador a la vez.
Seguridad en Los Reactores
Nucleares
Sistemas de Control. Básicamente está
constituido por las barras de control y por diversa instrumentación electrónica
e informática. Las barras de control son accionadas por una serie de sistemas
mecánicos, eléctricos u electrónicos, para asegurar con
rapidez la extinción de las reacciones nucleares. La
instrumentación de monitoreo se ubica en el interior o en el exterior
del núcleo del reactor y su finalidad es mantener constante vigilancia
de aquellos parámetros necesarios para la seguridad: presión, temperatura,
nivel de radiación, etc..
Sistemas de Contención. Constituido por una serie de barreras
múltiples que impiden el escape de la radiación y de los productos
radiactivos. La primera barrera, en cierto tipo de reactores, es un material
cerámico que recubre el Uranio utilizado como elemento combustible. La
segunda barrera es la estructura que contiene al Uranio, es decir, se trata de
las barras de combustible. La tercera barrera es la vasija que contiene el
núcleo del reactor. En los reactores de potencia se denomina vasija de
presión y se construye de un acero especial con un revestimiento
interior de acero inoxidable. La cuarta barrera la constituye el edificio que
alberga al reactor en su conjunto. Se conoce con el nombre de "Edificio de
Contención" y se construye de hormigón armado de, a lo
menos, 90 cm de espesor. Se utiliza para prevenir posibles escapes de productos radiactivos al exterior, resistir fuertes
impactos internos o externos, soportar grandes variaciones de presión y
mantener una ligera depresión en su interior que asegure una entrada
constante de aire desde el exterior, de tal forma de evitar cualquier escape de
material activado.
Concepto de Seguridad a Ultranza. Toda central nuclear se diseña y
construye bajo el concepto de Seguridad a Ultranza, es decir, se privilegia
ante todo la seguridad de toda instalación. Se busca reducir al
mínimo posible toda exposición a las radiaciones, no sólo
en caso de accidente, sino durante las operaciones normales de su personal.
Ciclo Del Combustible Nuclear.
El Ciclo del Combustible Nuclear
son todos los procesos por los cuales se somete al Uranio desde que se extrae
de la tierra hasta su utilización en el reactor y su posterior
reelaboración o su almacenamiento como residuo. Consta de las siguientes
etapas:
Primera etapa de minería y
concentración del Uranio. En esta etapa se extrae el mineral y se separa el Uranio que
contiene. Posteriormente se eliminan las impurezas que aún contiene el
mineral de Uranio obtenido en el proceso de separación inicial. La
concentración del mineral consiste en utilizar procesos
físico-químicos para aumentar los contenidos de Uranio a valores
superiores al 70%. En todo el proceso se utiliza Uranio natural cuya
composición isotópica es de aproximadamente: 99% de Uranio-238,
0,7% de Uranio-235 y 0,006% de Uranio-234.
Segunda etapa de Conversión
y Enriquecimiento. El Uranio
concentrado se purifica por medio de sucesivos tratamientos en disoluciones y
precipitaciones hasta que se convierte en un elemento llamado Hexafluoruro de
Uranio. Posteriormente el Hexafluoruro de Uranio se enriquece, es decir, se
aumenta la proporción de átomos de Uranio-235 con respecto al
Uranio-238. Para ello se realiza una separación selectiva a nivel
atómico, utilizando procesos de difusión gaseosa, ultra
centrifugación, procesos aerodinámicos, intercambio
químico o métodos de separación por láser.
Tercera etapa de Fabricación
de Elementos Combustibles. El
Uranio enriquecido se somete a presión y altas temperaturas para
transformarlo en pequeños cuerpos cerámicos. Las pastillas
cerámicas se colocan en el interior de unas varillas rellenadas con un gas
inerte. Las varillas se apilan en un tubo fabricado de una aleación de
circonio, dando forma al llamado Elemento Combustible.
Cuarta etapa de Uso del Combustible
en un reactor. Los Elementos
Combustibles se introducen en el interior del reactor y forman parte del
núcleo del mismo. El Uranio presente en los Elementos Combustibles
genera las fisiones que activan al reactor y a medida que transcurre el tiempo
se gasta, dejando como desecho los productos de fisión, por ejemplo el
Plutonio. En las centrales de potencia el combustible gastado se almacena
temporalmente en la propia instalación, en una piscina especialmente
adecuada para ello, lo que permite bajar la actividad de los productos de
fisión de vida corta.
Quinta
etapa de Reelaboración. Se
sabe que en el combustible gastado se ha consumido sólo una
pequeña fracción del Uranio que contiene. Se procede entonces a
la reelaboración del combustible con el objeto de separar el Uranio que
aún es utilizable. En el Proceso de reelaboración también
se pueden aislar ciertas cantidades de Plutonio u otros productos de
fisión, los cuales son de utilidad en el funcionamiento de algunos tipos
de reactores. La reelaboración es compleja y demanda fuertes inversiones
en plantas industriales de alta tecnología.
Sexta etapa de Almacenamiento de
Residuos. El almacenamiento
de los residuos puede ser temporal o definitivo. El almacenamiento temporal
supone, en algunos casos, el control y posterior reelaboración del
combustible gastado. Si no es posible llevar a cabo la reelaboración el
combustible gastado se almacena en forma definitiva. Los residuos radiactivos
se pueden clasificar según su origen, su forma (sólidos, líquidos,
gaseosos), su nivel de radiactividad, por la vida media de los isótopos
radiactivos que contienen (de vida larga, de vida corta), por la intensidad de
las radiaciones que emiten, por su radiotoxicidad, o bien por sus necesidades
de almacenamiento.
El almacenamiento definitivo generalmente
se aplica a aquellos residuos de alta actividad y vida larga, y se puede
realizar enterrándolos a distancias relativamente cortas respecto de la
superficie terrestre (menos de 20 metros). También, se pueden almacenar
en formaciones geológicas de mediana o gran profundidad (decenas a
centenares de metros).
Es
importante señalar que el volumen de residuos radiactivos producidos por
una central nuclear dependerá de las características de orden
técnico del reactor que los produce. Es así como los reactores de
investigación poseen un núcleo pequeño con alta
emisión de neutrones, generando cantidades de residuos bastante menores en comparación a los reactores de potencia.
USOS PACIFICOS DE LA ENERGIA
NUCLEAR
Gracias al uso de reactores
nucleares hoy en día es posible obtener importantes cantidades de
material radiactivo a bajo costo. Desde finales de los años 40 se
produce una expansión en el empleo pacífico de diversos tipos de
Isótopos Radiactivos en diversas áreas del quehacer
científico y productivo del hombre. Estas áreas se pueden
clasificar en:
Agricultura Y Alimentación
Control de Plagas. Se sabe que
algunos insectos pueden ser muy perjudiciales tanto para la calidad y productividad
de cierto tipo de cosechas, como para la salud humana. En muchas regiones del
planeta aún se les combate con la ayuda de gran variedad de productos
químicos, muchos de ellos cuestionados o prohibidos por los efectos
nocivos que producen en el organismo humano. Sin embargo, con la tecnología
nuclear es posible aplicar la llamada "Técnica de los Insectos
Estériles (TIE)", que consiste en suministrar altas emisiones de
radiación ionizante a un cierto grupo de insectos machos mantenidos en laboratorio.
Luego los machos estériles se dejan en libertad para facilitar su apareamiento
con los insectos hembra. No se produce, por ende, la necesaria descendencia. De
este modo, luego de sucesivas y rigurosas repeticiones del proceso, es posible
controlar y disminuir su población en una determinada región
geográfica. En Chile, se ha aplicado con éxito la técnica
TIE para el control de la mosca de la fruta, lo que ha permitido la
expansión de sus exportaciones agrícolas.
Mutaciones. La irradiación
aplicada a semillas, después de importantes y rigurosos estudios,
permite cambiar la información genética de ciertas variedades de plantas
y vegetales de consumo humano. El objetivo de la técnica, es la
obtención de nuevas variedades de especies con características
particulares que permitan el aumento de su resistencia y productividad.
Conservación de Alimentos.
En el mundo mueren cada año miles de personas como producto del hambre,
por lo tanto, cada vez existe mayor preocupación por procurar un
adecuado almacenamiento y mantención de los alimentos. Las radiaciones
son utilizadas en muchos países para aumentar el período de
conservación de muchos alimentos. Es importante señalar, que la
técnica de irradiación no genera efectos secundarios en la salud
humana, siendo capaz de reducir en forma considerable el número de
organismos y microorganismos patógenos presentes en variados alimentos
de consumo masivo. La irradiación de alimentos es aplicada en Chile en
una planta de irradiación multipropósito ubicada en el Centro de
Estudios Nucleares Lo Aguirre, con una demanda que obliga a su funcionamiento
ininterrumpido durante los 365 días del año.
Hidrología. Gracias al uso
de las técnicas nucleares es posible desarrollar diversos estudios
relacionados con recursos hídricos. En estudios de aguas superficiales
es posible caracterizar y medir las corrientes de aguas lluvias y de nieve;
caudales de ríos, fugas en embalses, lagos y canales y la dinámica
de lagos y depósitos. En estudios de aguas subterráneas es
posible medir los caudales de las napas, identificar el origen de las aguas
subterráneas, su edad, velocidad, dirección, flujo,
relación con aguas superficiales, conexiones entre acuíferos,
porosidad y dispersión de acuíferos.
Medicina. Vacunas. Se han
elaborado radiovacunas para combatir enfermedades parasitarias del ganado y que
afectan la producción pecuaria en general. Los animales sometidos al
tratamiento soportan durante un período más prolongado el peligro
de reinfección siempre latente en su medio natural.
Medicina Nuclear. Se ha extendido
con gran rapidez el uso de radiaciones y de radioisótopos en medicina
como agentes terapéuticos y de diagnóstico. En el diagnóstico
se utilizan radiofármacos para diversos estudios de: Tiroides,
Hígado, Riñón, Metabolismo, Circulación
sanguínea, Corazón, Pulmón, Trato gastrointestinales. En
terapia médica con las técnicas nucleares se puede combatir
ciertos tipos de cáncer. Con frecuencia se utilizan tratamientos en base
a irradiaciones con rayos gamma provenientes de fuentes de Cobalto-60,
así como también, esferas internas radiactivas, agujas e hilos de
Cobalto radiactivo. Combinando el tratamiento con una adecuada y prematura
detección del cáncer, se obtienen terapias con exitosos
resultados.
Radioinmunoanálisis. Se
trata de un método y procedimiento de gran sensibilidad utilizado para
realizar mediciones de hormonas, enzimas, virus de la hepatitis, ciertas proteínas
del suero, fármacos y variadas sustancias. El procedimiento consiste en
tomar muestras de sangre del paciente, donde con posterioridad se
añadirá algún radioisótopo específico, el
cual permite obtener mediciones de gran precisión respecto de hormonas y
otras sustancias de interés.
Radiofármacos. Se
administra al paciente un cierto tipo de fármaco radiactivo que permite
estudiar, mediante imágenes bidimensionales (centelleografía) o
tridimensionales (tomografía), el estado de diversos órganos del cuerpo
humano. De este modo se puede examinar el funcionamiento de la tiroides, el
pulmón, el hígado y el riñón, así como el volumen
y circulación sanguíneos. También, se utilizan
radiofármacos como el Cromo - 51 para la exploración del bazo, el
Selenio - 75 para el estudio del páncreas y el Cobalto - 57 para el diagnóstico
de la anemia.
Medio Ambiente. En esta
área se utilizan técnicas nucleares para la detección y análisis
de diversos contaminantes del medio ambiente. La técnica más
conocida recibe el nombre de Análisis por Activación
Neutrónica, basado en los trabajos desarrollados en 1936 por el
científico húngaro J.G. Hevesy, Premio Nobel de Química en
1944. La técnica consiste en irradiar una muestra, de tal forma, de
obtener a posteriori los espectros gamma que ella emite, para finalmente
procesar la información con ayuda computacional. La información
espectral identifica los elementos presentes en la muestra y las
concentraciones de los mismos. Una serie de estudios se han podido aplicar a
diversos problemas de contaminación como las causadas por el
bióxido de azufre, las descargas gaseosas a nivel del suelo, en derrames
de petróleo, en desechos agrícolas, en contaminación de
aguas y en el smog generado por las ciudades.
Industria e Investigación
Trazadores. Se elaboran
sustancias radiactivas que son introducidas en un determinado proceso. Luego se
detecta la trayectoria de la sustancia gracias a su emisión radiactiva,
lo que permite investigar diversas variables propias del proceso. Entre otras variables,
se puede determinar caudales de fluidos, filtraciones, velocidades en
tuberías, dinámica del transporte de materiales, cambios de fase
de líquido a gas, velocidad de desgaste de materiales, etc..
Instrumentación. Son
instrumentos radioisótopicos que permiten realizar mediciones sin
contacto físico directo. Se utilizan indicadores de nivel, de espesor o
bien de densidad.
Imágenes. Es posible
obtener imágenes de piezas con su estructura interna utilizando
radiografías en base a rayos gamma o bien con un flujo de neutrones.
Estas imágenes reciben el nombre de Gammagrafía y
Neutrografía respectivamente, y son de gran utilidad en la industria
como método no destructivo de control de calidad. Con estos métodos
se puede comprobar la calidad en soldaduras estructurales, en piezas
metálicas fundidas, en piezas cerámicas, para análisis de
humedad en materiales de construcción, etc..
Datación. Se emplean
técnicas isotópicas para determinar la edad en formaciones
geológicas y arqueológicas. Una de las técnicas utiliza el
Carbono-14, que consiste en determinar la cantidad de dicho isótopo
contenida en un cuerpo orgánico. La radiactividad existente, debida a la
presencia de Carbono-14, disminuye a la mitad cada 5730 años, por lo
tanto, al medir con precisión su actividad se puede inferir la edad de
la muestra.
Investigación. Utilizando
haces de neutrones generados por reactores, es posible llevar a cabo diversas investigaciones
en el campo de las ciencias de los materiales. Por ejemplo, se puede obtener información
respecto de estructuras cristalinas, defectos en sólidos, estudios de
monocristales, distribuciones y concentraciones de elementos ligeros en
función de la profundidad en sólidos, etc..
En el ámbito de la biología, la introducción de compuestos
radiactivos marcados ha permitido observar las actividades biológicas
hasta en sus más mínimos detalles, dando un gran impulso a los
trabajos de carácter genético.
GLOSARIO DE TÉRMINOS
Ångström Unidad de longitud equivalente
a una distancia igual a la cien millonésima parte de un
centímetro (0,000.000.01cm = 10-8cm, expresado en notación
exponencial). Es el tamaño típico de un átomo. Átomo El átomo es la menor
porción de un elemento químico que puede ser considerada como
tal. [Su nombre proviene del griego y significa "no divisible".
Aunque inicialmente se pensó que los átomos eran de hecho
indivisibles, los descubrimientos de la física del siglo XX revelaron
que poseían una estructura muy compleja a escalas más
pequeñas]. Podemos imaginarnos, entonces, que dividiendo
progresivamente un elemento en porciones cada vez más pequeñas
alguna vez llegaremos al átomo. Cuando queremos medir dimensiones,
volúmenes y masas de los átomos, nos enfrentamos a valores
extremadamente pequeños, con los que no estamos acostumbrados a
trabajar. Desintegración Alfa
El elemento radiactivo de
número atómico Z, emite un núcleo de Helio (dos protones
y dos neutrones), el número atómico disminuye en dos unidades y
el número másico en cuatro unidades, produciéndose un
nuevo elemento situado en el lugar Z-2 de la Tabla Periódica. Desintegración Beta- Se producen electrones y
antineutrinos procedentes de la transformación de un neutrón en
un protón dentro del núcleo. El electrón y el
antineutrino son expulsados con una energía variable. Como resultado
tenemos un núcleo con el mismo número másico y
número atómico Z+1 Desintegración Beta+
Se producen positrones y
neutrinos procedentes de la transformación de un protón en un
neutrón dentro del núcleo. El positrón y el neutrino son
expulsados con una energía variable. Como resultado tenemos un
núcleo con el mismo número másico y número
atómico Z-1 Desintegración Gamma Cuando un núcleo
atómico se encuentra excitado (Con más energía que en su
estado fundamental), tiende a desprenderse de esta energía emitiendo
radiación electromagnética de alta energía (rayos
gamma). Es el equivalente a lo que sucede en los átomos con los saltos
de los electrones entre niveles atómicos emitiendo luz (siendo muchas
veces, luz visible). En el caso de los núcleos, la radiación
que emiten es en torno a 1 millón de veces más energética
que la de la luz que observamos. Esto hace que no podamos verla con nuestros
ojos y que su poder de penetración en la materia sea mucho mayor. Electrón Partícula elemental con
carga eléctrica negativa y que forma parte de la constitución
atómica y nuclear. Su masa en reposo es de 9,11 x 10-31 Kg,
equivalente a 5,5 x 10-4 uma y su carga corresponde a la carga
elemental de 1,6 x 10-19 Coulomb. Fotón Es una partícula
elemental que representa un cantidad discreta de
energía electromagnética. El fotón tiene carga cero y se
conviene que su masa en rasposo es nula. La luz, según la
teoría cuántica, se compone de fotones que viajan a una
velocidad aproximada de 300.000 Km/s. Isótopos Los isótopos de un mismo
elemento son las distintas variedades existentes de núcleos que tienen
la misma cantidad de protones, pero distinto número de neutrones. Como
la masa del átomo es prácticamente la de su núcleo, y
como los protones y los neutrones tienen aproximadamente la misma masa, a la
cantidad de protones y neutrones del núcleo se la llama número
de masa. Los átomos que tienen un mismo número atómico,
pero distintos números de masa se llaman isótopos (este nombre
proviene de los términos "iso" y "topos" en griego
antiguo, que significan "igual" y "lugar" respectivamente). Entre ellos, algunos son
estables, es decir, no se transmutan por sí solos en otros
isótopos. Los otros, inestables, emiten radiaciones: son los
isótopos radiactivos o radioisótopos. Algunos isótopos
radiactivos se encuentran en la naturaleza, tanto sea porque su vida media es
del mismo orden que la vida de la Tierra (caso del uranio 238 [U238]
que tiene una vida media 4.470.000.000 años) o porque se genera
permanente en la atmósfera debido a la radiación cósmica
(caso del carbono 14 [C14], que tiene una vida de 5715
años) Límite de Dosis Radiológica Los límites anuales de
dosis radiológica fijados por la Unión Europea que una persona
puede absorber son, para los trabajadores profesionalmente expuestos (los que
habitualmente están sometidos a radiaciones ionizantes) de 20 mili
Sievert (100 mSv de promedio en 5 años). Para la población en
general el límite está en 5 mSv (=500 mrem). Lluvia Radiactiva La radiactividad liberada en la
atmósfera, principalmente de pruebas nucleares, se deposita poco a poco
sobre la superficie de la tierra a través de la conocida como lluvia
radiactiva. La dosis media recibida por la población por esta causa ha
pasado de valores altos en las décadas de los 50-70 (hasta 0,08-014
mSv.) a los valores actuales, del orden de 5 microSievert, aunque en algunos
lugares alcanza los 10 microsievert. El aumento de radiactividad de 1986 se
debió al accidente de la central de Chernobil. Partícula
elemental de carga cero y masa 1,64 x 10-27 Kg, equivalente a
1,0087 uma. Forma parte de los núcleos atómicos. Cuando se
encuentra libre (sin pertenecer a un núcleo) se desintegra en un protón(+), un electrón(-) y un neutrino en
un tiempo medio de unos 11 minutos. Partícula
neutra con masa próxima a cero (según los resultados más
recientes, deben tener algo de masa, aunque aún no se ha logrado
cuantificar). Son emitidos, por ejemplo, en las desintegraciones radiactivas
del núcleo. Su característica más significativa es que
apenas interaccionan con la materia. Esto hace que constantemente estamos
siendo atravesados por neutrinos generados en las reacciones nucleares
solares sin que notemos ningún efecto. Es la parte
más densa del átomo. Está formado por protones y
neutrones, los cuales se mantienen unidos por las llamadas fuerzas nucleares.
Su masa representa a casi la totalidad de la masa atómica. Un
nucleón pesa aproximadamente 1.66 10-24 gramos, es decir
que se necesitan aproximadamente 602.300.000.000.000.000.000.000 nucleones
para lograr 1 gramo de materia. Como los
nucleones concentran la casi totalidad de la masa del átomo, es
común llamar "número másico" (o
"número de masa") a la cantidad de nucleones y simbolizar
este número con la letra A. En cambio, el "número
atómico" representa la cantidad de protones del núcleo,
simbolizada con la letra Z. Este número es fundamental ya que define
las propiedades químicas de cada átomo, y es igual a la
cantidad de electrones que tiene ese átomo cuando es
eléctricamente neutro. Habitualmente, la cantidad de neutrones del
núcleo se simboliza con la letra N. Como es lógico, se cumple
que A = Z + N (El número de nucleones es igual al número total
de protones y el de neutrones juntos). Son todas
aquellas que forman parte del microcosmo, constituido por átomos y
núcleos, están definidas por sus propiedades de carga y masa
(energía). Tradicionalmente los estados de
la materia se refieren desde el punto de vista de su temperatura; a menor
temperatura la materia se encuentra mayoritariamente en su estado
sólido, si esta se comienza a calentar, alcanza el estado
líquido, si se continúa subiendo la temperatura, se llega al
estado gaseoso de ésta. Estos son los tres estados clásicos de
la materia. Ahora, si se sigue calentando el gas, se alcanza otro estado de
materia, menos conocido pero igualmente trascendente e importante; se dice en
este caso que la materia está en su estado de plasma. Presenta
características propias que lo definen y distinguen claramente de los
otros estados de la materia. Debido a que el gas está
a alta temperatura los átomos que componen el gas pierden electrones,
de modo que este está compuesto de partículas cargadas
(electrones e iones). Visto de esta manera, el plasma es un medio eléctricamente
conductor. Sin embargo, dado que la densidad de electrones e iones son muy
similares, y considerando un estado de equilibrio, desde fuera el plasma se
ve como un gas neutro. Resumiendo: Un Plasma es un gas
fuertemente ionizado, un fluido cuasineutro de iones y electrones que chocan
e interaccionan entre sí. Existe una gran diversidad de plasmas
dependiendo de su densidad y Temperatura. La densidad entre diversos plasmas
puede diferir hasta en 20 órdenes de magnitud(!)
Así, mientras un plasma interestelar tiene densidades del orden de 106m-3,
los plasmas que se emplean para fusión por confinamiento inercial
alcanzan densidades de 1026m-3. Las Temperaturas también
difieren mucho entre distintos plasmas: Desde centésimas de eV hasta
varios miles (Plasmas para fusión termonuclear) Partícula elemental de
carga eléctrica positiva que forma parte de la estructura
básica del núcleo atómico. Su masa es de 1,672 x 10-27
Kg, equivalente a 1,0073 uma, y cuya carga es de 1,6 x 10-19
Coulomb. Al contrario que los neutrones, son estables incluso cuando están
fuera del núcleo Los positrones son electrones positivos. Los
positrones tienen igual masa y el mismo valor absoluto de carga que los
electrones, pero la carga eléctrica es positiva. Si colisionan un
electrón y un positrón se aniquilan mutuamente, emitiendo dos
rayos gamma, conservando de este modo la energía y el impulso. Este es
un caso en el que claramente se verifica la relación E = m c2 ,
ya que hay total aniquilación de materia para convertirse en
energía electromagnética (fotones). Es una sucesión de
fisiones nucleares que ocurren en forma casi simultánea. Supongamos
que en una fisión nuclear se liberan 2 neutrones. Estos neutrones que
se han liberado pueden fisionar 2 nuevos núcleos atómicos, de
donde se liberan 4 nuevos neutrones, los que a su vez harán impacto
sobre 4 núcleos atómicos, y así sucesivamente. En el caso particular de la
fisión nuclear del Uranio 235, junto con los productos de la
fisión del Uranio, se emiten dos o más neutrones que alcanzando
las condiciones adecuadas pueden fisionar otros núcleos de Uranio 235,
lo que además le da una característica multiplicativa a esta
reacción. Son radiaciones
con la energía necesaria para arrancar electrones de los
átomos. Cuando un átomo queda con un exceso de carga
eléctrica, ya sea positiva o negativa, se dice que se ha convertido en
un ion (positivo o negativo). Son radiaciones
ionizantes los rayos X, las radiaciones alfa, beta, gamma y la emisión
de neutrones. Las radiaciones ionizantes
pueden provocar reacciones y cambios químicos con el material con el
cual interaccionan. Por ejemplo, son capaces de romper los enlaces
químicos de las moléculas o generar cambios genéticos en
células reproductoras. Son aquellas que no son capaces
de producir iones al interactuar con los átomos de un material. Las
radiaciones no ionizantes se pueden clasificar en dos grandes grupos: los
campos de origen electromagnético y las radiaciones ópticas. Dentro de los campos
electromagnéticos se pueden distinguir aquellos generados por las
líneas de corriente eléctrica o por campos eléctricos
estáticos. Otros ejemplos son las ondas de radiofrecuencia, utilizadas
por las emisoras de radio en sus transmisiones, y las microondas utilizadas
en electrodomésticos y en el área de las telecomunicaciones.
Entre las radiaciones ópticas se pueden mencionar los rayos
infrarrojos, la luz visible y la radiación ultravioleta. Estas
radiaciones pueden provocar calor y ciertos efectos fotoquímicos al
actuar sobre el cuerpo humano. Emisión
espontánea de partículas o rayos por el núcleo de un
átomo. Propiedad de algunos elementos químicos de emitir
partículas u ondas electromagnéticas. Esta propiedad se debe a
la existencia de una descompensación entre el número de
neutrones y de protones del núcleo del átomo, que provoca una inestabilidad
y una liberación de la energía acumulada en forma de
partículas u ondas. La radiactividad natural se debe a elementos que
emiten radiaciones espontáneamente, como es el caso del uranio, el
torio, el radón, etc. EL Radón
es un gas que procede del Uranio que se encuentra en la tierra de forma
natural. La dosis media que en España se recibe por este gas se
encuentra en 1,2 mSv., pudiéndose alcanzar hasta 40 mSv. en alguna zonas de la Península Ibérica.
Esta dosis se recibe principalmente en el interior de los edificios, ya que
se concentra más que en el exterior, donde se dispersa con mayor
facilidad. Nos llega
también del espacio una radiación en forma de Rayos
Cósmicos. Se puede hacer bien poco para evitarlos, ya que atraviesan
casi todos los materiales (incluso entran en nuestras casas). La dosis media
que una persona recibe al año por esta radiación es de 0,25
miliSievert (mSv), aunque puede oscilar entre 0,2 y 0,3 mSv. Una persona
puede recibir 100.000 rayos de neutrones y 400.000 rayos secundarios a la
hora. Por su parte, una persona que viaje habitualmente en avión
realizando vuelos transoceánicos estará más expuesta a
estos rayos, ya que su poder aumenta con la altura (10 mSv. a 15 Km. de
altitud). Albert Einstein, por medio de
su famosa relación E=
mc2, indica que
la energía y la masa son equivalentes, es decir, son una misma cosa,
pero se encuentran en distinto estado. Por lo tanto, dada ciertas condiciones
físicas, un cuerpo puede transformar su masa en energía. 1 Rem = 0.01 Sievert Con el fin de expresar en una
misma unidad el riesgo de aparición de los efectos estocásticos
asociados al conjunto de las situaciones de exposición posibles, los
físicos desarrollaron un indicador llamado "dosis eficaz",
cuya unidad de medida es el sievert (Sv), del nombre del físico sueco
que fue uno de los pioneros en la protección contra las radiaciones
ionizantes. La dosis eficaz se calcula a
partir de la dosis (expresada en Gy) absorbida por los distintos tejidos y
órganos expuestos, aplicando factores de ponderación que tienen
en cuenta el tipo de radiación (alfa, beta, gamma ,
X, neutrones), de las modalidades de exposición (externo o interno) y
la sensibilidad específica de los órganos o tejidos. Por
definición, la dosis eficaz, expresada en SV, no puede utilizarse sino
para evaluar el riesgo de aparición de efectos estocásticos en
el hombre, y no puede emplearse ni para los efectos agudos ni para los
efectos sobre la fauna y la flora. Hay que señalar que se utilizan dos
submúltiplos del sievert muy frecuentemente: el millisievert o
milésima de sievert, tenido en cuenta mSv; y el microsievert o
millonésimo de sievert, tenido en cuenta µSv. Mineral que se encuentra en la
naturaleza bajo 150 formas diferentes. Es así como se puede presentar
en forma primaria (como Uranita), en forma oxidada, o en forma refractaria.
También se le puede encontrar como subproducto en la fabricación
de fosfatos, en las minas de Cobre o en el agua de mar. Las mayores
reservas de Uranio se encuentran en África, específicamente en
Namibia, Níger, Gabón y Sudáfrica. En Sudamérica
destacan las reservas de Argentina y Brasil. La
composición del Uranio natural es de aproximadamente 99,3% en el
isótopo del Uranio 238, y de un 0,7% en Uranio 235. La vida media (t1/2)
es el tiempo necesario para que se desintegre la mitad de una determinada
cantidad de un núcleo radiactivo. Como hemos dicho, las semividas de
los elementos alcanzan, desde una fracción de segundo, hasta miles de
millones de años. Por ejemplo, el 23892 U tiene
una semivida de 4.5 x 109 años, el 22688Ra
tiene una semivida de 1620 años y el 156C tiene
una semivida de 2.4s
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