En el mundo mueren cada año miles de personas con producto el hambre , por lo tanto , cada vez existe mayor preocupación por procurar un adecuado almacenamiento y manutención de los alimentos.
Las radiaciones son utilizadas en muchos países para aumentar el periodo 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 numero 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 los 365 días del año.
En la antigüedad sustentaron una teoría atomística , Empédocles , Demócrito y otros, quienes consideraban que la infinita variedad de substancias conocidas podía explicarse si se admitía que la materia estaba compuesta de diminutas partículas indivisibles e indestructibles , a las cuales denominaban átomos. Las diversas manifestaciones del antiguo atomismo griego y romano eran una doctrina mas bien filosófica que científica .
El desarrollo de una teoría atómica científica comienza en 1803 con los trabajos del químico y matemático inglés John Dalton . Aunque algunas de sus afirmaciones han sido desechadas por erróneas , el concepto fundamental que introdujo ha resistido desde entonces los embates de las pruebas experimentales y constituye la base de muchas investigaciones físico-químicas modernas.
Al igual que los filósofos griegos , Dalton sostuvo la hipótesis de la existencia de las pequeñas partículas indivisibles e indestructibles , pero fue mucho más allá que todos sus antecesores al asignarle al átomo propiedades específicas . Contrariamente al atomismo griego , su teoría era capaz de explicar y correlacionar los resultados de los experimentos prácticos y de conducir a predicciones sobre los alcances de nuevas investigaciones .
Hoy sabemos que los átomos se componen por lo menos de tres partículas básicas : electrones , protones y neutrones . Los electrones son partículas ultralivianas cargadas de electricidad negativa. Su descubrimiento permitió el uso práctico del radio, la televisión y los rayos X . Los protones son partículas un tanto más pesadas que los electrones y provistas de una carga de igual magnitud , pero positiva . Los neutrones son partículas ligeramente más pesadas que los protones, sin carga eléctrica alguna .
Hasta los comienzos del siglo XIX , el tema de la composición de la materia no pasaba de ser un motivo de estudio para los filósofos , y no fue sino hasta que Dalton , cuidadoso experimentador y pensador profundo , comenzó a analizar las antiguas teorías cuando la ciencia pudo avanzar hacia una meta precisa .
PRINCIPIOS BASICOS
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 en base a la relación Masa-Energía producto de la genialidad del gran físico Albert Einstein.
En 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 del metano.
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 ó 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 U-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.
Un Poco de Historia
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 .
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 Atomo 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 Mecano – 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 arriba 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 ión (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 C-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.
En 1896, el físico francés Henri Becquerel descubrió por accidente que los minerales de uranio emitían espontáneamente energía en forma de radiación. En la actualidad, el fenómeno se acepta con facilidad, pero en aquella época pareció extraño, pues representaba una amenaza contra la ley de conservación de la energía. Varios hechos importantes emergieron rápidamente de estudios posteriores sobre lo que ahora se denomina radiactividad: los compuestos de uranio puro que se extrajeron del mineral resultaron menos radiactivos que el mineral crudo en si mismo. Esta diferencia revelo que existían otras substancias más radiactivas mezcladas con el uranio. Con una serie de operaciones de separación cuidadosas y tediosas realizadas por Marie y Pierre Curie se logró el descubrimiento de nuevos elementos radiactivos, el más importante de los cuales fue el radio.
Los esposos Curie también descubrieron que la radiactividad de las substancias depende de sus elementos, más no de sus compuestos. Así, un gramo de radio tiene la misma radiactividad como metal puro que como cualquiera de sus compuestos.
Deben enfatizarse dos aspectos de la radiactividad:
Cuando el átomo de un elemento radiactivo emite energía también se descompone, con lo que nace un átomo nuevo. El nuevo elemento, llamado vástago del que lo produjo, también puede ser radiactivo y producir otro vástago, y así prosigue la cadena hasta que surja un elemento estable (no radiactivo) que le ponga fin. Por ejemplo, la serie de desintegración radiactiva en que participa el radio avanza en nueve pasos adicionales hasta terminar con una forma estable del plomo. Aunque sus isótopos muestran grandes semejanzas químicas, pueden presentar propiedades nucleares muy diferentes; en realidad, una forma puede ser radiactiva y la otra no. Las formas radiactivas se denominan radio. isótopos. Estos también se identifican por sus números de masa, expresados, por ejemplo, como U-235, o Ra-226.
Ahora examinemos el ritmo de la desintegración radiactiva. Si se observa solo un átomo, supongamos de Ra-226, que contiene un núcleo cuando se descompondrá? Esta pregunta no puede responderse. Piénsese en el núcleo de radio como un haz energético de materia cargada con electricidad; puede o no desintegrarse durante x periodo. No obstante, sabemos que lo más probable es que el núcleo del radio se descomponga en cualquier minuto, día, año o siglo. Para comprender mejor esta idea tomemos un ejemplo más común. Imagínese que se están haciendo burbujas de jabón y que observa como se rompen en el aire. ¿Cuanto durará la primera burbuja? Es imposible predecir su duración con certeza, pero digamos que usted sabe que si espera un minuto la burbuja tendrá una posibilidad del 50-50 de perdurar. Ahora, imagínese que hay 64 burbujas semejantes. Después de un minuto, se esperara que queden 32 burbujas intactas; las otras 32 se habrán deshecho. Al cabo de otro minuto, las 32 restantes se habrán reducido otra vez a la mitad y solo se esperara que queden 16. Transcurrido el tercer minuto se esperara que queden ocho, y así sucesivamente. En vista de que se prevé que la mitad se rompa en cualquier momento, este intervalo se denomina periodo de vida media.
Este concepto se aplica a los radioisótopos. El núcleo de un átomo de un Ra-226 tiene una probabilidad de 50-50 de sobrevivir en cualquier intervalo dado de 1600 años. Por consiguiente, si un gramo se colocara en 1980 dentro de un recipiente, solo quedaría medio gramo después de 1600 años (en el año 3580), y únicamente un cuarto después de otros 1600 años (en el año 5180), y así sucesivamente. Este proceso se llama desintegración radiactiva.
El concepto de periodo de vida media no significa que después de 1600 años sin modificación alguna la mitad del Ra-226 se desintegre repentinamente. Recuerde las burbujas de jabón: no pueden romperse al unísono, a intervalos de un minuto; más bien, se observara que algunas roturas ocurren más o menos en forma regular. El periodo de vida media es un valor promedio para todas la burbujas, como lo es para los núcleos del radio. Esto significa que existe la posibilidad de que ocurran descomposiciones en cualquier intervalo.
Como hay una gran cantidad de átomos en una muestra de radio (aproximadamente 2.65 x 102 por gramo), cada segundo se desintegran muchos y un contador Geiger responderá sonando todo el tiempo.
El ritmo al que la radiación es emitida por una muestra de Ra-226 depende de la cantidad de este. Puesto que esta cantidad va decreciendo constantemente, la velocidad de emisión o radiactividad de la muestra de Ra-226 decrece también. Sin embargo, recuérdese que el Radio226 produce otros radioisótopos al desintegrarse. Así pues, toda muestra que se haya estado desintegrando durante algún tiempo limitado contendrá algo del Ra-226 original y algo de cada uno de sus "vástagos" radiactivos, así como del producto final estable, Pb-206. Estos radioisótopos tienen vida media distinta, que va desde fracciones de segundo hasta alrededor de 20 años. Por consiguiente, la radiactividad total producida por una muestra de radio, junto con sus productos radiactivos de desecho, es mayor que la producida por la muestra de Ra-226 sola.
He aquí la ultima pregunta: si los núcleos de los elementos radiactivos son inestables, por que siguen existiendo algunos en la Tierra? La única respuesta posible es: son vástagos de los radioisótopos que presentan vida media muy prolongada. Por ejemplo la vida media del U-238 natural, U-235, es de 4500000000 de años. Sus radiaciones y el efecto de la radiación que llega a la Tierra del espacio exterior se le llama radiación de fondo.
En años recientes, el hombre ha aumentado considerablemente la cantidad de materiales radiactivos en varias partes de la Tierra. No podemos inventar nada que detenga esta radiactividad. Se va haciendo más lenta por desintegración radiactiva a un ritmo determinado por la vida media de los radioisótopos que intervienen.
¿Qué es 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 operado 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.
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 U-235.
Barras de Combustible:
Son el lugar físico donde se confina el Combustible Nuclear. Algunas Barras de Combustible contienen el Uranio mezclado en Aluminio bajo la forma de laminas planas separadas por una cierta distancia que permite la circulación de fluido para disipar el calor generado. Las laminas se ubican en una especie de caja que les sirve de soporte.
Núcleo del Reactor:
Esta 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 al 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.
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.
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 U-238 enriquecido con U-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.
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 U-238 enriquecido con U-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.
Seguridad En Los Reactores Nucleares
Sistemas de Control.
Básicamente está constituido por las barras de control y por diversa instrumentación de monitoreo.
Las barras de control son accionadas por una serie de sistemas mecánicos, eléctricos u electrónicos, de tal manera de 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 lo 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 U-238, 0.7% de U-235 y 0.006% de U-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 Hexafloruro de Uranio. Posteriormente el Hexafloruro de Uranio se enriquece, es decir, se aumenta la proporción de átomos de U-235 con respecto al U-238. Para ello se realiza una separación selectiva a nivel atómico, utilizando procesos de difusión gaseosa, ultracentrifugación, 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.
Los reactores de fisión nuclear requieren combustible, y este ha de ser una substancia cuyos núcleos sean susceptibles de fisión. Hay dos combustibles importantes de fisión nuclear, a saber: el U-235 y el Pu-239. No son los únicos isótopos fisionables conocidos, pero son los que usan las plantas de energía y en ellos se basa la mayor parte de los diseños de futuras plantas.
El U-235 se encuentra al estado natural; constituye 0.7 por 100 del uranio natural. El 99.3 por 100 restante es el isótopo más pesado, U-238, del cual solo una parte muy pequeña experimenta fisión en el reactor. La reacción dominante de fisión puede expresarse así:
U-235 + 1 n° ==> productos de fisión + 2 a 3 n° + energía
El segundo combustible, Pu-239, no se encuentra en estado natural, sino que es producido por la reacción del U-238 con neutrones. Las reacciones pueden escribirse como sigue:
U-238 + 1 n° ==> Pu-239,
Pu-239 + 1 n° ==> productos de fisión + 2 a 3 n° + energía
Así pues, las dos fuentes principales de energía para la fisión que se encuentran en estado natural son: U-235 (fisionable, pero no abundante) y U-238 (abundante, pero no fisionable hasta haber sido convertido en Pu-239).
Las ecuaciones de fisión indican que le reactores necesitan, además de combustible, otro ingrediente esencial: los neutrones.
En primer lugar, un neutrón podría experimentar captura por fisión por U-235. Esto estaría muy bien, pues nos proporciona más neutrones para ramificar la cadena y la reacción genera energía. Pero existen algunos problemas. Los núcleos de U-235 y S010 capturan electrones lentos para someterlos a fisión, pero liberan neutrones rápidos. Por consiguiente, se necesita algún medio para retardar los neutrones emitidos y hacer que sean más asequibles a la captura. Uno de esos medios se llama moderador de neutrones. El primer material utilizado fue el grafito, pero el agua también es apropiada. Otro problema proviene del hecho de la exigua proporción de U-235 en el uranio natural. La velocidad de la fisión y, por consiguiente, la producción de energía, pueden acelerarse aumentando la proporción de U-235 en el combustible. Sin embargo, semejante enriquecimiento ha de limitarse porque no se puede permitir que la reacción en cadena se ramifique fuera de control.
En segundo lugar, un neutrón puede experimentar captura por no fisión por U-238, produciendo así Pu-239 , que puede a su vez ser objeto de fisión . Esta captura solo tiene lugar con neutrones rápidos, de modo que resultara impedida por los moderadores utilizados para retardar los neutrones con miras a la captura por fisión por U-235. Por otra parte, la producción de Pu-239 es, de hecho, una "generación" de nuevo combustible y constituye, por consiguiente, una fuente de energía muy atractiva para las necesidades del hombre.
En tercer lugar, un neutrón puede experimentar captura por no fisión por impurezas.
Esto ocasiona la perdida de neutrones y el amortiguamiento de la cadena, pero nos brinda también un medio fácil de controlar la reacción. En efecto, los productos de fisión se acumulan en forma de impurezas y, como absorben neutrones, los elementos del combustible que contaminan han de acabar eliminándose y purificándose. Sin embargo, es necesario tener un medio de control para absorber los neutrones y regular la reacción. El método más directo consiste en insertar una varilla de impurezas que absorban a los neutrones. Cuanta más impureza introducimos, más retardaremos la reacción.
Los dispositivos que efectúan esto se llaman barras de control; estas suelen contener cobalto o boro y otros metales, y se pueden introducir en el núcleo del reactor o extraerse de él, regulando así el flujo de neutrones con gran precisión.
Finalmente, como el neutrón, se desplaza en línea recta quizá no choque con otro núcleo del reactor y escape. Por supuesto, cuanto mayor sea el reactor, más átomos se opondrán al paso y mayor será la probabilidad de la captura del neutrón y menor la oportunidad de que escape. Estas circunstancias hacen que el tamaño del reactor sea de ciertas dimensiones: jamas tendremos generadores de fisión de bolsillo ni siquiera motores de fisión para motocicletas. Esta tendencia a escapar impone asimismo un blindaje, que impida la fuga de neutrones.
Lo anterior hace plantearnos esta pregunta: ¿de que modo puede construirse un reactor que satisfaga todas estas exigencias?
La primera decisión que es necesario tomar consiste en establecer si el reactor será diseñado sólo para generar energía del U-235 o si también será diseñando para producir Pu-239. Iniciaremos primero el análisis del reactor no autorregenerador.
No regeneradores
El reactor consta esencialmente de combustible, un moderador y barras de control. El combustible suele ser una forma cerámica de bióxido de uranio. Este compuesto esta en condiciones mucho mejores de retener la mayoría de los productos de fisión: del metal puro, aun estando sobrecalentado.
El combustible de uranio es preparado por tratamiento químico corriente (no nuclear) y consta del isótopo natural no fisionable ' U-238, enriquecido con el U-235 fisionable por un factor tres o cuatro veces por encima de su nivel al estado natural. Este bajo nivel de enriquecimiento proporciona una protección automática contra un aumento de la velocidad de fisión, si accidentalmente la temperatura llegara a subir por una falla, por ejemplo, del sistema de refrigeración. El combustible se introduce en el núcleo del reactor en forma de cartuchos largos y delgados. Estos cartuchos están recubiertos de acero inoxidable u otras aleaciones.
Los elementos del combustible están rodeados por el moderador, cuya función consiste recuérdelo el lector en aminorar la velocidad de los neutrones, de modo que experimenten captura por fisión. El agua es útil porque es a la vez moderadora y refrigerante.
En el reactor de agua hirviente, el calor de fisión convierte el agua en vapor. En el reactor de agua presurizada, el agua se conserva al estado liquido bajo una presión elevada. Libera luego la energía hacia otra masa de agua, que se halla en un cambiador de calor. La electricidad se genera del mismo modo que en las plantas de combustible fósil. El vapor impulsa una turbina que acciona un generador eléctrico; el vapor residual es enfriado y devuelto al cambiador de calor. Las barras de control están dispersas entre la matriz de los cartuchos de combustible, el moderador y el refrigerador. Sirven no solo para regular el flujo de neutrones, sino también como sistema de cierre de urgencia. Para acelerar la reacción en cadena, las barras se extraen un poco, en tanto que para retardarla se insertan más profundamente.
En el caso de una falla, las barras son empujadas rápidamente hasta El fondo del núcleo para capturar el mayor numero posible de neutrones y extinguir la reacción en cadena.
Regeneradores
Este proceso produce Pu-239 fisionable a partir del U-238 abundante y permite así que un reactor proporcione combustible para otro. (De ahí que los reactores "generen".) El U-238 se llama material "fértil", para conservar la metáfora biológica. El tiempo que un regenerador tarda en duplicar la cantidad de material fisionable depende de su diseño y funcionamiento; los valores obtenidos por calculo teórico van de 6 a 20 años. Un tiempo de duplicación intermedio lo consideran algunos una expectativa razonable.
La reacción requiere neutrones rápidos.
Esto significa que ha de excluirse el moderador que los retarda. El núcleo del reactor contiene, pues, U-238 altamente enriquecido con U-235 o Pu-239 (esto es, las fuentes de los neutrones rápidos), sin moderador alguno. El espacio libre dejado por el moderador puede contener combustible complementario enriquecido; de este modo, las concentraciones conjuntas de los materiales tanto fértiles como fisionables en el núcleo del regenerador son mucho mayores que en el no regenerador. Esta situación es más peligrosa, porque la energía es liberada en forma más concentrada. Así pues, en caso de accidente, existe un mayor peligro de sobrecalentamiento y de fusión del núcleo, lo que concentraría el combustible todavía más y liberaría con mayor rapidez productos radiactivos.
Lo compacto del núcleo del regenerador requiere una eliminación muy rápida del calor. El agua resulta desventajosa por ser un moderador de neutrones, lo cual debe evitarse. Además, el agua hierve a temperaturas relativamente bajas aun a presiones elevadas, y el vapor es un mal conductor de calor. El refrigerante de elección es el sodio liquido. El sodio es un metal de calor y brillo argentinoso, blando, químicamente activo. Reacciona con el agua para producir gas hidrogeno; en presencia de aire, el calor de la reacción puede producir, mediante chispa, la explosión del hidrogeno. El sodio se hace altamente radiactivo en contacto con el núcleo del reactor. Pero su propiedad salvadora reside en la capacidad de transportar rápidamente calor lejos del reactor, puesto que es un excelente conductor y permanece al estado liquido en un amplio rango de temperatura, desde 98 a 890 ºC, a la presión atmosférica normal.
El cambiador de calor en que se produce vapor para impulsar la turbina ha de estar blindado contra el sodio radiactivo. Esto se consigue con un anillo intermedio del sodio no radiactivo.
Es importante comprender las etapas de que consta su procesamiento, utilización y eliminación.
Existen dos ciclos diferentes. El primero se aplica a los reactores no autorregeneradores, y realmente se caracteriza mejor como un proceso no repetible y no como un ciclo (excepto que los desperdicios retornan finalmente a la tierra). En segundo se aplica a los reactores autorregeneradores, los cuales representan la economía nuclear del futuro, alguna vez llamada "economía del plutonio".
Ciclo no repetitivo del uranio
En diversas partes de la Tierra se extrae la mena de uranio como un deposito negro que contiene quizá el 0.3 por 100 de uranio. Este se concentra mediante una serie de procesos fisioquímicos para obtener un "barro" amarillo que contiene aproximadamente e1 80 por 100 de oxido de uranio, U3O8. Después de procesarlo más, el uranio se obtiene en forma de un oxido anaranjado brillante,' UO3.
Tómese en cuenta que solo aproximadamente O.7 por 100 del uranio natural constituye los isótopos fisionables del U-235.
Por tanto el siguiente paso consiste en enriquecerlo, que es la parte más difícil y costosa del ciclo del combustible. Como en la práctica los isótopos son químicamente idénticos, la separación debe efectuarse mediante procesos físicos. En dicho método, llamado difusión gaseosa, se aplica el principio de que las moléculas de los gases más ligeros atraviesan con mayor rapidez las barreras porosas que las moléculas de gases más pesados. Para sacar ventaja de ello se convierte al uranio, mediante técnicas químicas, en un producto gaseoso (hexafluoruro de uranio, UF6 ( y las moléculas con el U-235 más ligeras cruzan las barreras a una velocidad un poco mayor que las del U-238 que son más pesadas.
El material enriquecido se convierte de nuevo en oxido y se fabrica en pellas de combustible que se utilizan en la planta.
Después de uno o más años, cuando se ha consumido una porción apreciable de U-235 y se han acumulado los producto de la fisión, se separa del reactor el ensamblaje del combustible. Durante este tiempo, los productos de desperdicio se encuentran en su estado más intensamente radiactivo, y su manejo muy peligroso. Por consiguiente estos se depositan bajo el agua en un lugar de los locales de la planta durante algunos mese para permitir que se desintegre la mayor parte de los componentes en extremo radiactivos. Después, el combustible parcialmente desintegrado se envía a una planta de procesamiento de combustible.
Aquí se cortan las pellas, se disuelven y se procesan mediante procedimientos químico para recuperar el uranio y el plutonio (el cual se produjo mientras el combustible estuvo en el reactor).
El uranio puede convertirse de nuevo en UF6 y recircularse para su enriquecimiento, Pero no es rentable mientras existan menas ricas en uranio que se puedan explotar.
Mientras tanto, se almacena la mayor parte de él. También el plutonio se almacena para su posible utilización futura en reactores o como explosivo. Se separan y se reservan algunos radioisótopos que tengan aplicaciones especiales en la ciencia, la medicina o la industria. El resto constituye una solución de desechos radiactivos, los cuales deben someterse a cocción o evaporación para reducir su volumen y después se depositan en algún lugar durante un tiempo tan prolongado que parece eterno en comparación al periodo de vida humana o hasta de los sistemas políticos.
En la sección se analiza el problema de cómo y donde conservar este material.
Ciclo del combustible en el regenerador de plutonio
Revísese la descripción de los reactores autorregeneradores y tómese en cuenta que producen plutonio a partir del U-238.
Esta circunstancia altera el ciclo del combustible en dos formas importantes: 1) puede omitirse el paso del enriquecimiento de uranio debido a que el reactor produce su propio combustible; 2) el combustible producido, que es el plutonio, debe recuperarse e incorporarse otra vez en las pellas. En vista de que estas operaciones no se llevan a efecto en el mismo lugar, el ciclo del combustible del regenerador introduce plutonio en una forma sumamente enriquecida a canales de comercio y transporte, lo que acarrea consecuencias que se analizaran más adelante en este capitulo. En la figura se presenta un esquema de los dos ciclos.
En 1914, Ernest Rutherford y sus colaboradores lograron la primera reacción nuclear artificial, cuando bombardearon el nitrógeno corriente con partículas energéticas para producir oxígeno 17, que no es una substancia radiactiva.
Quince años después, en 1934, convirtieron el boro en nitrógeno 13, que es radiactivo; este fue el primer radioisótopo producido en forma artificial y su creación trajo consigo el primer incremento artificial de la radiactividad sobre la Tierra. Sin embargo, la cantidad de radiactividad producida por un experimento como el que acabamos de mencionar tiene un efecto insignificante porque solo intervienen cantidades muy pequeñas de materia radiactiva.
El descubrimiento de la reacción nuclear en cadena, que tiene lugar en la fisión nuclear, condujo a la producción de grandes cantidades de materia radiactiva. Es importante comprender primero que es una reacción en cadena. Luego veremos por que hace que la producción de desechos radiactivos sea un verdadero problema para la vida terrestre.
Una cadena es una serie de eslabones. Piénsese en el proceso de hacer una cadena: comporta la adición sucesiva de eslabones. El proceso de añadir eslabones a una cadena se llama alargamiento de la cadena. Si el extremo de una cadena se enlaza con el principio, forma un ciclo, y la cadena termina. Esta es una de las formas de terminación de cadena. Si se añade más de un eslabón a un eslabón determinado, se desarrollan varios brazos de la cadena, y esto se denomina ramificación de la cadena.
Las etapas que tienen lugar una tras otra en un lugar reciben el nombre de proceso en cadena o reacción en cadena. Las reacciones químicas en cadena pueden experimentar también ramificación. Un ejemplo de una reacción química en cadena ramificada es el incendio de un bosque. En efecto, el calor de un árbol puede iniciar la reacción (combustión) de dos a tres arboles, cada uno de los cuales podrá encender a su vez a otros.
Si el alargamiento de una cadena se efectúa a una velocidad determinada, la producción de 10 ramas significa que 10 reacciones ocurren al mismo tiempo, de modo que la velocidad ha aumentado 10 veces. Una reacción química en cadena que siga ramificándose puede producir una explosión. Condición critica es aquella en que una reacción en cadena se prosigue a una velocidad constante, sin acelerar ni disminuir.
La producción de la bomba atómica (fisión) y de reactores nucleares se basa en reacciones nucleares en cadena ramificadas. El proceso se inicia cuando un neutrón choca contra un núcleo de U-235 y puede seguir varias direcciones. A continuación se muestran dos ejemplos:
U-235 + 1 n° ==> Ba-142 + Kr-91 + 3 n°
U-235 + 1 n° ==> I-137+ Y-97 + 2 n°
Nótense los siguientes puntos importantes en estas ecuaciones:
La reacción es iniciada por un solo neutrón, pero produce dos o tres neutrones. Estos pueden iniciar dos o tres reacciones que producen a su vez más neutrones, y así sucesivamente. Esta es, pues, una reacción en cadena ramificada.
Estas reacciones dividen al núcleo de U-235 (aproximadamente) en dos, fenómeno conocido como fisión atómica o nuclear. La fisión libera energía, porque los núcleos de uranio son menos estables que sus productos de desintegración. Las cantidades de energía que intervienen son muy grandes en comparación con las de las reacciones químicas. Si la reacción en cadena ramificada prosigue muy rápidamente, habrá una explosión atómica. Si la ramificación de la cadena es controlada con cuidado, la energía puede liberarse lentamente y tendremos entonces un reactor nuclear, que puede utilizarse para la producción de energía.
Las reacciones de fisión producen desechos radiactivos. Ba-142, Kr-91, I-137, y Y-97, los productos que se ven en las ecuaciones anteriores son todos ellos radiactivos. Además, las reacciones representadas en ellas no son más que dos de tantas que tienen lugar en la fisión atómica. Esta produce muchos radioisótopos distintos. Por otra parte, los productos de la fisión son en general mucho más radiactivos que el uranio del que proceden. La vida media de los productos de fisión es más corta; algunas se miden en siglos, otras en años, días, minutos, segundos o fracciones de segundo.
Un compuesto cuya vida media sea breve se desintegra rápidamente, pero en sus primeras etapas emite radiación a niveles muy peligrosos. Para ilustrar esto, imagine dos leños, uno que se pudre con lentitud y el otro que se quema rápidamente. El primero se descompone en un periodo largo, pero siempre permanece frío, mientras que el que se quema esta caliente durante su efímera vida.
En forma semejante, un elemento radiactivo con un periodo largo de vida media, como el U-238 (4 1/2 miles de millones de años), emite bajos niveles de radiación. Pero los productos de la fisión que tienen una efímera vida media, como el Ba-142 (vida media, 11 minutos), se asemejan al leño que se quema, ya que emiten niveles sumamente peligrosos de radiación. Estos materiales, producidos en diversidad y abundancia por las reacciones en cadena, son los residuos atómicos que nos interesan.
Las cuestiones sobre la seguridad y los peligros constituyen el centro de la controversia nuclear. Antes de emprender este tema sumamente complejo resultara útil considerar algunos de los principios básicos de la seguridad industrial, y después describir su aplicación a las plantas nucleares.
Para familiarizarse con los conceptos generales del diseño seguro, utilizaremos el ejemplo del automóvil. Primero reconocemos que el propósito de un carro consiste en desplazar a la gente de un lugar a otro, lo cual encierra un peligro intrínseco, ya que pueden cruzarse en su camino otros objetos y herir a los pasajeros. Por consiguiente, a primera condición consiste en que una operación sin riesgos debe formar parte del diseño original. Por ejemplo, los frenos deben funcionar de modo uniforme y confiable; el conductor debe ver el camino claramente en codas direcciones, por la noche o durante lluvias o nevadas; y el automóvil debe amortiguar los golpes provenientes de los baches. Pero todos sabemos que los artefactos mecánicos no son perfectos. Las cosas pueden salir mal, y, después de cierto tiempo, sabemos que así será. Existen dos respuestas posibles a dichos peligros. Una consiste en proporcionar un "soporte" o sistemas de duplicación que funcionen en caso de que fallen los originales. Algunas veces a este procedimiento se llama redundancia. En el automóvil, un ejemplo de esto es el sistema de frenos independiente que funciona si el primario falla. La otra respuesta consiste en proporcionar una prevención, de modo que el conductor pueda maniobrar y evitar un accidente inminente. Así, una luz o un zumbador pueden indicar el sobrecalentamiento o la perdida de aceite. El desgaste de los materiales y los componentes obliga a ofrecer un programa de inspección y mantenimiento. Por ultimo, si fracasan todos estos sistemas y ocurre un accidente, el diseño debe contener medidas que eviten o reduzcan al mínimo las lesiones. Entre ellas figuran los cinturones de seguridad, bolsas de aire, cascos, trajes de asbesto, amortiguadores autorregenerativos y barras de rodamiento.
Las plantas nucleares, al igual que los automóviles, tienen una función inherentemente peligrosa: procesan materiales que son nocivos en grado sumo para los organismos vivos.
Por tanto, se deben seguir los cinco principios de medidas de seguridad. Sus aplicaciones a las plantas nucleares se sintetizan a continuación:
Diseño Seguro. Tómese en cuenta que en un reactor no autorregenerador el U-238 se enriquece poco con el U-235 fisionable y, por tanto, el combustible no se parece en nada a una bomba atómica. Las barras de control se insertan al empujarlas hacia abajo en el núcleo, de modo que si no hay energía simplemente caerán. El agua corriente es tanto un refrigerante como un moderador. Si el exceso de calor hiciera que el agua hirviera hasta agotarse, la perdida del moderador detendría la reacción en cadena. En las especificaciones de diseño se señala que los materiales de construcción sean de la mejor calidad técnica que sean probados en su totalidad antes de su utilización. El reactor autorregenerador es intrínsecamente más peligroso, pero esto solo significa que su diseño de seguridad es más importante aun.
Redundancia. El sistema que más necesita un substitutivo es el que enfría el núcleo del reactor. Si este falla, casi siempre se tendrán al menos dos sistemas de enfriamiento adicionales e independientes. Si fallara el sistema de energía en que se basan las medidas de emergencia, se podría utilizar una fuente externa.
Si ésta también falla, intervendrían las turbinas de gas o generadores diesel de la planta. Los sistemas secundarios de este tipo son bastante complejos y se interrelacionan de tal modo que sus respuestas son específicamente adecuadas a la naturaleza de la urgencia. Además, son por completo automáticas; no tienen que ser activadas por un operador humano.
Prevención. El cuarto de control de una planta nuclear esta lleno de manómetros, cuadrantes, luces, zumbadores y alarmas. Los trabajadores cuentan con dispositivos que son sensibles a la radiación y que verifican el grado que el usuario ha sido expuesto. En toda la planta están distribuidos aparatos de detección y también se encuentran fuera de la planta, a diversas distancias.
Inspección y mantenimiento. Los operadores del reactor deben pasar por estrictos procedimientos de capacitación, con cursos periódicos de actualización. Las plantas son inspeccionadas varias veces al año, se aplican sanciones a los violadores de las regulaciones y se conservan las listas de cualquier defecto o falla.
Protección en caso de accidentes. El receptáculo del reactor, fabricado de acero grueso, esta rodeado por blindaje antirradiactivo de varios pies de espesor. Como una barrera final, todo el sistema esta circundado por una estructura de retención, de concreto reforzado, recubierta de acero y a prueba de vapor. Esta barrera esta diseñada para resistir terremotos y huracanes, y para contener toda la materia que pudiera liberarse dentro, aun en el caso de que el más grande sistema primario de tubería del reactor quedara destrozado instantáneamente. En Rusia y en algunas otras naciones no es necesaria esta ultima barrera, hecho que los partidarios de la energía nuclear citan para enfatizar la gran prioridad que Estados Unidos da a la seguridad.
Todo lo antes señalado suena muy tranquilizante, pero recuérdese que siempre hay accidentes de automóviles. Lo mismo sucede en las plantas nucleares.
En la vida de hoy, la energía eléctrica es un elemento básico. Cuando Faraday empezó sus investigaciones y se las presentó al Rey de Inglaterra, este le preguntó qué utilidad tendría para la corona. El científico le respondió "Majestad, ya verá cuando pueda cargarla con impuestos." Mucho se ha avanzado desde entonces y hoy, independientemente de los impuestos, se consigue obtener energía eléctrica por muy distintos medios.
En una central hidroeléctrica, por ejemplo, es la fuerza del agua al caer por la presa lo que mueve las turbinas. En la energía eólica el molino que genera electricidad lo hace trasmitiendo el movimiento que el viento produce en sus aspas a turbinas similares Las centrales nucleares también son fábricas que producen energía eléctrica generando vapor mediante el calentamiento de agua.
El sistema, excepto en la manera de obtener el calor, es idéntico al de cualquier otra central térmica de producción de energía eléctrica, sea de gas, de carbón o de fueloil. El agua calentada mediante distintos procedimientos se convierte en vapor que, a través de circuitos, mueve las turbinas que generan la electricidad.
En el caso de las centrales nucleares, el sistema para calentar el agua es una reacción nuclear. Un circuito cerrado de agua se calienta al estar en contacto con las varillas en la que se aloja el combustible, llamadas vainas del combustible, y cede su calor a otro circuito que a su vez acciona la turbina que produce la energía eléctrica.
En las centrales nucleares todos los sistemas responden a la filosofía de la seguridad en profundidad. Este concepto supone el establecimiento de distintas barreras de protección que evitan que los productos radiactivos del reactor lleguen al medio ambiente y de niveles de seguridad de acuerdo a procedimientos previamente establecidos.
Las barreras de contención son tres, aunque algunos autores hablan de cuatro, ya que suponen que la pastilla en la que se aloja el combustible es la primera barrera efectiva.
En todo caso, mayoritariamente se considera a las barras dentro de las que se encuentran las pastillas de combustibles como la primera barrera; la vasija del reactor en la que se aloja el núcleo con todas las barras de combustible dentro, y el circuito primario forman la segunda barrera; y el recinto de contención es la tercera barrera. En alguna centrales se trata una caja con muros de más de un metro de espesor de hormigón y ferralla, forrado por la cara interna con una chapa de varios centímetros de acero; en centrales de otro tipo la contención se consigue mediante otros sistemas igualmente reputados como seguros. En las centrales occidentales estos recintos de contención se hacen de acuerdo a muy rigurosas medidas y prescripciones técnicas, de manera, por ejemplo, que son resistentes a terremotos e, incluso, al choque de un avión.
La contención evita que, en caso de accidente, la radiación generada durante la reacción nuclear salga al exterior. Uno de los problemas de las centrales de los países de Europa oriental es, precisamente, que la construcción de la contención no se hacía de acuerdo a estos principios.
Los niveles de seguridad más generalmente aceptados son cinco. El primero de ellos es una construcción sólida, de acuerdo a las más estrictas medidas de seguridad y con un riguroso control de calidad. Durante el diseño, la construcción, las pruebas y la puesta en marcha de una central (y de cualquier instalación radiactiva, como por ejemplo una sala en la que se coloque un aparato de rayos X) se inspeccionan numerosas veces las obras y el resultado final, para que sea tal y como se ha planeado inicialmente.
El segundo nivel de seguridad es el cumplimiento de unos rigurosos controles para mantener siempre a la planta dentro de las condiciones normales de operación. El tercer nivel consiste en sistema de seguridad capaces de hacer frente a los posibles accidentes y a los incidentes El cuarto es una técnica muy desarrollada para el control de accidentes, incluidos accidentes con daños en el núcleo, si los hubiera. Y, por último, se cuenta con planes para hacer frente a las emergencias que puedan ocurrir.
En todo caso, cuando se hacen análisis de riesgos en las centrales nucleares se hacen pensando que puede ocurrir siempre lo más improbable. Por eso, todos los sistemas son redundantes, es decir, que siempre hay varios sistemas capaces de hacer determinada tarea, de manera que cualquiera de ellos, si uno falla, permite funcionar con normalidad. Además, se utiliza el criterio de diversidad, es decir, dos métodos distintos para hacer una sola cosa. Por ejemplo, para parar la reacción en cadena en el núcleo del reactor se pueden bajar las barras de control o introducir agua borada, lo que también para la reacción.
El concepto de seguridad en profundidad, presente en las actividades nucleares, exige tener siempre prevista una eventualidad improbable, y tener preparada la solución ante ese hecho que es poco probable que se produzca. Una de las misiones del CSN es, precisamente, el control y la vigilancia de esos sistemas de seguridad.
Pero, a pesar de todo, las centrales nucleares tienen riesgos muy improbables, razón por la cual se toman todas las precauciones que se ha señalado. Algunas personas piensan que los riesgos, básicamente un accidente que pudiera contaminar una gran zona durante mucho tiempo, son mayores que los beneficios, es decir, que los peligros son mayores que las ventajas que reporta a la sociedad la energía eléctrica que aportan las centrales nucleares al total de la producción de un país. En España, las centrales nucleares producen un tercio de la energía eléctrica total que se consume; en Francia, el 85 por ciento; en Suecia cerca de la mitad; y en Estados Unidos algo menos de 20 por ciento.
Los organismos reguladores, las instituciones como el Consejo de Seguridad Nuclear en cada país, controlan el que los riegos asumidos estén siempre dentro de los límites tolerables, es decir, controlan que la probabilidad de que ocurra un accidente sea muy pequeña, para lo que se toman multitud de precauciones. Se puede afirmar que no hay ninguna otra industria en el mundo, quizá con la excepción de la aviación civil, que esté sometida a los controles de seguridad equivalentes a los que están sometidas las centrales nucleares . Las funciones del CSN están encaminadas básicamente a garantizar a los españoles que las instalaciones cumplen las normas de control que optimizan la seguridad.
Otro problema derivado del uso de las centrales nucleares es el de los residuos radiactivos de alta actividad, es decir, el combustible gastado. Por el momento, se almacena en piscinas en las propias centrales, aunque se están buscando soluciones para el largo plazo.
La protección radiológica de las personas y del medio ambiente de los posibles daños de la radiaciones ionizantes se fundamenta en la aplicación de tres principios básicos: justificación, optimización y limitación de dosis .
El principio de justificación implica que cualquier actividad en las que exista una exposición a radiaciones ionizantes debe estar previamente justificada por las ventajas prácticas que de ella se deriven.
Esto quiere decir, por ejemplo, que si a una persona se le realiza una radiografía de tórax es porque dicha radiografía proporciona un importante beneficio desde el punto de vista del diagnóstico de enfermedades; no estaría permitido que dicha radiografía se realizara porque sí, sin motivo que la justifique.
El principio de optimización implica que las exposiciones a radiaciones ionizantes se deben mantener en el nivel más bajo que razonablemente sea posible.
Este principio se traduce en la práctica en que las actividades que implican exposición a radiaciones ionizantes se planifican rigurosamente, analizándose en detalle qué se va a hacer y cómo se va a hacer, y estableciéndose las medidas de protección que sean necesarias para alcanzar el nivel de exposición más bajo posible. Es bastante habitual que este principio aparezca bajo la denominación de principio ALARA que es un acrónimo de la traducción inglesa del término "tan bajo como razonablemente sea posible alcanzar"
El principio de limitación de dosis implica que las exposiciones a radiaciones no deben superar determinados límites reconocidos internacionalmente.
Los límites de dosis que actualmente se recogen en la legislación española (Real Decreto 53/1992) son de 50 milisievert por año para trabajadores profesionalmente expuestos a radiaciones ionizantes y de 5 milisievert por año para las personas del público. Estos límites se encuentran actualmente en fase de revisión para su adaptación a la legislación española. El es milisievert la unidad utilizada para medir las dosis de radiación.
Para tener una idea de su magnitud se puede indicar que:
Como consecuencia de la exposición a la radiación natural procedente de los rayos cósmicos una persona puede recibir como media 0,25 milisievert /año.
Como consecuencia de la exposición a la radiación natural procedente de la corteza terrestre una persona puede recibir como media 0,45 milisievert /año .
Como consecuencia de la exposición a la radiación natural procedente del gas radón una persona puede recibir como media 1,20 milisievert/año .
Como consecuencia de la exposición a la radiación natural procedente de alimentos y bebidas una persona puede recibir como media 0,30 milisievert /año.
Como consecuencia de una exploración radiográfica de aparato digestivo una persona puede recibir como media 3 milisievert .
Como consecuencia de una exploración radiográfica de cabeza mediante tomografía axial computarizada (TAC) una persona puede recibir 3 milisievert.
Los elementos radiactivos emiten energía en tres formas diferentes: 1) por radiación de gran penetración, semejante a los rayos X; 2) por electrones de movimiento rápido, y 3) por pequeñas porciones del núcleo. Todas ellas tienen la virtud de dañar a los organismos vivos.
Como se transmite la radiación: irradiaciones externa e interna
Hay dos formas: la primera es desde una fuente externa de radiación, por ejemplo un tubo de rayos X. La segunda es por ingestión o inhalación de materiales radiactivos, y esto se denomina irradiación interna, puesto que las fuentes de radiación están dentro del cuerpo. Es obvio que este tipo plantea los problemas más importantes en cuanto a los peligros que productos del desecho radiactivo entrenan para la salud. El que un material radiactivo constituya o no un importante peligro biológico depende de dos propiedades totalmente independientes: la naturaleza química de la substancia y la vida media de los radionúclidos.
La naturaleza química de la sustancia
La naturaleza química de una substancia y no la radiactiva es lo que determina si puede o no penetrar en la cadena alimenticia y ser adquirida por los animales, las plantas y finalmente por el hombre. Por ejemplo, el Sr-90, un producto radiactivo secundario de las pruebas atmosféricas de armas nucleares, se parece al calcio desde el punto de vista químico. Es absorbido, pues, por las plantas, de donde es ingerido por herbívoros, como las vacas. Al igual que el calcio, e concentra luego en la leche de los animales y pasa a formar parte de la dieta humana. En el hombre se convierte en parte estructural de los huesos, junto con el calcio ingerido. Por consiguiente, a medida que la desintegración radiactiva prosigue, las células del hueso y de 1a medula se convierten en el blanco directo de la radiación proveniente de esta fuente.
Otro isótopo importante de la precipitación radiactiva es el Cs-137 (vida media = 30 años), que es químicamente similar al potasio. Se acumula en los tejidos musculares, en tanto que el Sr-90 lo hace en los huesos y la leche. El Cs-137 constituye, por consiguiente, una fuente más importante de radiactividad en la dieta de los esquimales, que comen carne de caribú.
La red alimenticia posee la capacidad no solo de transportar, sino también de concentrar materiales diversos. La concentración de radioisótopos en la cadena alimenticia de las regiones árticas es particularmente alta. El efecto de esta concentración se observó al descubrir que los esquimales absorbían más precipitación radiactiva que la gente que vivía en otras zonas de la Tierra en las que la precipitación era mayor. El primer pasó en esta concentración altamente eficiente lo proporciona el liquen ártico, planta que obtiene su alimento mineral directamente de las partículas de polvo que se posan sobre ella. Es por esta razón que el liquen reúne el polo de la precipitación radiactiva de modo particularmente eficiente. En el verano, el caribú se desplaza hacia el norte de la tundra, y allí vaga por extensas regiones en busca de liquen, que constituye una parte importante de su dieta.
Es como si alguien lo mandara a reunir el Cs-137 y llevarlo consigo a su regreso, tarea que realiza a la perfección. Luego, los esquimales comen el caribú, que a veces es su único alimento, de este modo obtienen la concentración mayor en la cima de la cadena alimenticia.
La vida media de los radionúclidos
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