Residuos Nucleares

Los residuos nucleares están constituidos por los subproductos no utilizables y contaminados radiactivamente, que provienen de los siguientes orígenes:

• Procesamiento del mineral (colas de la minería).
• Enriquecimiento del uranio natural (99.3% de uranio-238 y 0.7% de uranio-235), para aumentar su contenido de uranio-235 (hasta el 3% para reactores de potencia; hasta el 20% para reactores de investigación y hasta el 90% o más para usos bélicos).
• Fabricación de elementos combustibles.
• Residuos de la operación de reactores.
• Elementos combustibles agotados (sin reprocesamiento)
• Reprocesamiento de elementos combustibles agotados, para extraerle material utilizable (uranio-235 residual y plutonio; usos pacífico y bélico)
• "Chatarra caliente" de instalaciones nucleares que cumplieron su vida útil y cuyos elementos estructurales se han activado.
• Material descartado por laboratorios, hospitales, universidades, etc.

Residuo radiactivo

Producción y gestión de residuos en una central nuclear.

Envases con residuos nucleares transuránidos.

Los Residuos radiactivos son residuos que contienen elementos químicos radiactivos que no tienen un propósito práctico. Es frecuentemente el subproducto de un proceso nuclear, como la fisión nuclear. El residuo también puede generarse durante el procesamiento de combustible para los reactores o armas nucleares o en las aplicaciones médicas como la radioterapia o la medicina nuclear.
Se suelen clasificar por motivos de gestión en:

• Residuos desclasificables (o exentos): No poseen una radiactividad que pueda resultar peligrosa para la salud de las personas o el medio ambiente, en el presente o para las generaciones futuras. Pueden utilizarse como materiales convencionales.

• Residuos de baja actividad: Poseen radiactividad gamma o beta en niveles menores a 0,04 GBq/m³ si son líquidos, 0,00004 GBq/m³ si son gaseosos, o la tasa de dosis en contacto es inferior a 20 mSv/h si son sólidos. Solo se consideran de esta categoría si además su periodo de semidesintegración es inferior a 30 años. Deben almacenarse en almacenamientos superficiales.

• Residuos de media actividad: Poseen radiactividad gamma o beta con niveles superiores a los residuos de baja actividad pero inferiores a 4 GBq/m³ para líquidos, gaseosos con cualquier actividad o sólidos cuya tasa de dosis en contacto supere los 20 mSv/h. Al igual que los residuos de baja actividad, solo pueden considerarse dentro de esta categoría aquellos residuos cuyo periodo de semidesintegración sea inferior a 30 años. Deben almacenarse en almacenamientos superficiales.

• Residuos de alta actividad o alta vida media: Todos aquellos materiales emisores de radiactividad alfa y aquellos materiales emisores beta o gamma que superen los niveles impuestos por los límites de los residuos de media actividad. También todos aquellos cuyo periodo de semidesintegración supere los 30 años (por ejemplo los actínidos minoritarios), deben almacenarse en almacenamientos geológicos profundos (AGP).

Energia nuclear en Argentina

Introducción
La República Argentina ha retomado la senda de crecimiento
económico, lo que implica el aumento de requerimientos
energéticos para satisfacer las necesidades de la
industria y del comercio, y la demanda per capita de los
ciudadanos en pos de una mejor calidad de vida.
El ingreso por habitante, después de muchos años de
altibajos, ha superado todos los valores históricos, como
bien se puede apreciar en el gráfico de página 13, donde se
toma como base 100 el año 1980.
Por otra parte, en el mundo existe lo que se define como
una electrificación de los consumos finales, es decir, un
paulatino reemplazo de los combustibles fósiles por energía
eléctrica en los usos finales (electrificación parcial de usos
residenciales como acondicionamiento de aire, cocción,
diversos usos industriales/comerciales y en transporte).
Reactivación y Reseña del

Plan Nuclear Argentino

Por Ing. D. Francisco Carlos Rey
Vicepresidente de la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA)
Editado por Esteban Rodríguez.

La actual civilización es fuertemente dependiente de la
energía eléctrica por la comodidad que implica su uso.
Electricidad es sinónimo de calidad de vida y la dependencia
que hemos adquirido por este fluido es cada vez
mayor, a tal punto que no podemos imaginar un mundo
sin energía eléctrica, a pesar de que aún existe una gran
parte de la población mundial que no cuenta con ella.
Este hecho provoca que la tasa de crecimiento de la
demanda de energía eléctrica sea superior a la de los otros
combustibles.
En la CNEA desde hace ya varios años se ha venido
observando y estudiando el comportamiento del sistema
eléctrico nacional, y se ha consolidado un grupo de
Prospectiva y Planificación Energética que ha recibido
entrenamiento en el Organismo Internacional de Energía
Atómica (OIEA); entre sus tareas se destacan el estudio de
las características técnicas, económicas y ambientales de
todas las fuentes de generación disponibles en nuestro
país y su competitividad para establecer la expansión óptima
del sistema de generación eléctrica y la participación
de la núcleo electricidad.


Descripción del sistema eléctrico
La Argentina es un país muy extenso. Debido a las grandes
distancias entre las regiones donde se encuentran las
principales centrales hidroeléctricas (Comahue y Noreste) y
las regiones donde se concentra la demanda eléctrica
(Buenos Aires y Rosario), se requiere de un amplio y complejo
sistema de transporte y distribución de energía eléctrica,
con más de 9000 km de líneas de alta tensión (500 kV).
Al superponer las dimensiones del sistema eléctrico
argentino en un mapa de Europa, respetando la escala, se
observa que éste se extiende desde Madrid (Comahue)
hasta Edimburgo (El Bracho, en el NOA) y Copenhague
(Yacyretá). Cuando esté completa la línea de alta tensión
que integrará la Patagonia al Sistema Interconectado
Nacional, se llegará a una extensión que incluiría además
el norte de África.
El sistema tiene una potencia instalada de 24.000 MW.
En el año 2006 se generaron, solamente en el sistema
interconectado (nuevo SADI o MEM más MEMSP),
108.300.000 GWh.

Proyecciones de demanda y nuevas
instalaciones requeridas para satisfacerla
Como mencionamos al comienzo, la República
Argentina ha retomado la senda de crecimiento económico,
lo que implica el aumento de requerimientos energéticos
para satisfacer las necesidades de la industria y del
comercio, y la demanda per capita de los ciudadanos en
pos de una mejor calidad de vida.
Nos referimos especialmente a la demanda de energía
eléctrica, que ha tenido en los últimos años un importante
crecimiento, esperándose que en el futuro este crecimiento
continúe.

Debido a que el crecimiento de la demanda de energía
eléctrica (y también de la economía) superó todas las
expectativas, el Estado Nacional está encarando con
urgencia un plan de corto plazo y elaborando un plan
estratégico de mediano y largo plazo.
En el primer caso, ante ciertas indefiniciones del sector
privado, el Estado Nacional ha lanzado varias obras importantes
de generación eléctrica (de las que hablaremos más
adelante) y una significativa expansión del sistema de
transporte en extra alta tensión a través del Plan Federal
de Expansión, en el que se incluye la integración del sur
de nuestro país al Sistema Interconectado Nacional, obra
que los argentinos nos debíamos desde hace mucho tiempo,
con el objetivo de ser un solo país desde el extremo
sur al extremo norte.
La primera parte de esta obra de interconexión ya está
concluida. El 1 de marzo de 2006 fue inaugurada la interconexión
entre el Mercado Eléctrico Mayorista (MEM o
SADI) con el Sistema Patagónico (MEMSP) a través de la
línea Choele Choel-Puerto Madryn.
Este plan incluye, además de la línea mencionada, la
línea Comahue-Cuyo, la línea minera (Cuyo-NOA), la
línea NOA-NEA y la tercera línea entre la central hidráulica
de Yacyretá y el Gran Buenos Aires.

Expansión del sistema de generación
Empleando distintos modelos de planificación de la
expansión eléctrica suministrados por el OIEA y utilizando
hipótesis moderadas de crecimiento de la demanda, se ha
llegado a la conclusión de que hay que incorporar al sistema
de generación argentino alrededor de 40.000 MW nuevos
de potencia antes del año 2025.
En el gráfico de página 16 se destaca, en verde, la evolución
esperada de la demanda máxima en la hora pico;
en rojo, la evolución esperada del parque de generación
existente y, en negro, los márgenes de reserva entre los
que debería encontrarse la potencia instalada para satisfacer
sin riesgos la demanda.
Observación: en el parque de generación existente no
están incluidas las obras en marcha.
De esos 40.000 MW, el plan de gestión del Gobierno (de
corto plazo), puesto en marcha por la Secretaría de Energía,
prevé la incorporación de alrededor de 3500 MW de nuevas
fuentes de generación en los próximos tres años, con lo que
se satisfaría el suministro eléctrico de los próximos años.
Esos 3500 MW están compuestos por: la terminación de
la central nuclear de Atucha II (750 MW), la elevación de
la cota de la central hidráulica de Yacyretá (1000 MW),
dos ciclos combinados de 800 MW cada uno, a instalarse
en Campana y en los Timbúes (1600 MW), y pequeñas
obras hidroeléctricas.
Analizándolo desde el punto de vista de la proyección
de la energía demandada y generada hasta el año 2025, se
observa que, aun incluyendo los proyectos anteriormente
mencionados, queda una importante cantidad sin definir.
Esta cantidad, alrededor de 36.500 MW, debería ser
establecida en el plan estratégico de mediano y largo
plazo; nuestra opinión es que de ellos alrededor de 10.000
MW deberían ser de origen nuclear.

¿Por qué 10.000 MW nucleares en la Argentina?
Para responder a esta pregunta y fundamentar esta opinión,
se han analizado los siguientes aspectos:
• Situación del mercado eléctrico mundial.
• Características de otras fuentes energéticas.
• Infraestructura nacional y costos.
• Situación ambiental.

Situación del mercado eléctrico mundial
Si se analiza qué ocurre en el mundo desarrollado con
relación a las distintas fuentes de generación eléctrica,
encontramos que el porcentaje de generación nucleoeléctrica
es muy superior al de nuestro país.
Además, las centrales nucleares que se están construyendo
en Finlandia, Japón, China, India, etc., sumadas a
las que se están proyectando en estos y otros países (entre
los que se puede destacar EE. UU.), indican que estos porcentajes
van a crecer.



Características de otras fuentes energéticas
Si se analizan las particularidades de cada fuente de
generación de energía eléctrica se encuentra que en el
diseño de un sistema de generación se debe considerar:
La disponibilidad de las centrales hidroeléctricas y los
ciclos hidrológicos que afectan a su generación.
Se puede apreciar en el gráfico siguiente la baja disponibilidad
promedio de la generación hidroeléctrica de nuestro
país (entre otras fuentes de generación eléctrica) y los
ciclos hidrológicos que afectan a su generación.
Observaciones: los factores de carga están calculados
como la generación real anual dividida por la generación
teórica (potencia de la máquina por las 8760 horas del
año). Son equivalentes a la disponibilidad.
En el caso de la generación térmica, donde el despacho
de cargas retira de servicio máquinas cuando le sobra energía,
esto no se cumple y la disponibilidad real es superior
al factor de carga indicado en el gráfico.
Para la generación eólica los factores de carga graficados
(equivalentes a su disponibilidad) corresponden al periodo
1996 y 2005.
La disponibilidad de las centrales eólicas es aún más
baja, hecho al cual se suma la imprevisibilidad y variación
en el tiempo del recurso eólico. Por otra parte, presenta un
alto costo de inversión por KWh generado (el más alto de
todas las tecnologías analizadas).
Si bien la generación hidráulica tiene baja disponibilidad
y también alto costo de inversión, presenta como ventaja
la facilidad para seguir la curva de carga diaria, en particular
en las horas de punta. Sin embargo, la disponibilidad
y principalmente los ciclos hidrológicos deben ser
tenidos en cuenta en la planificación pues se requiere un
mayor margen de reserva para compensarlos.
A continuación podemos apreciar cómo se cubre la
demanda de energía eléctrica en nuestro país a lo largo de
un día hábil de verano.
Observaciones: el 27/2 fue un día extremadamente
caluroso, récord histórico hasta esa fecha de demanda
máxima.
En el gráfico de página 19 se observa cómo las centrales
hidráulicas de embalse permiten cubrir el empuntamiento
del sistema (hidro de punta).
Dado que la energía eléctrica no se puede acumular, se
debe generar siguiendo el requerimiento de la demanda
más los márgenes de reserva que requiere el sistema.

Infraestructura nacional y costos
Hay que tener en cuenta la extensión geográfica de
nuestro país y, dependiendo de la opción elegida, se deben
construir nuevas y extensas líneas de transporte de energía
eléctrica o gasoductos que lleven el gas natural a los generadores.
La única fuente de generación que se puede instalar
cerca de la demanda sin problemas de transporte es la
nuclear. Una central nuclear como la central nuclear de
Atucha I consume alrededor de 30 toneladas anuales de
combustible (3 camiones de 10 toneladas).
En la Argentina se han reducido considerablemente las
reservas de combustibles fósiles. Además existen problemas
en el suministro de estos recursos para la generación
eléctrica, especialmente en el caso del gas natural, donde
se satura en invierno la capacidad de transporte y, al tener
prioridad el abastecimiento a los sectores residenciales, las
centrales generadoras que lo utilizan deben sustituirlo por
combustibles líquidos.
La matriz de generación eléctrica tiene una fuerte
dependencia del gas natural y de combustibles líquidos, lo
que ha llevado a la necesidad de importación de estos fluidos.
Por esta razón, debe tenerse en cuenta la imprevisibilidad
del costo internacional y la necesidad de suministro
en el futuro.
En estos últimos años hubo un fuerte crecimiento en
los precios internacionales del gas natural y del petróleo, y
existe una gran incertidumbre respecto de su comportamiento
futuro. Se debe tener en cuenta que el gas natural
aún no ha alcanzado valores equivalentes al petróleo en
unidades térmicas (el valor del gas natural HH en Nueva
York de 7,5 USD/MBTU equivale a un valor de petróleo de
43 USD/BBL)
En el gráfico siguiente y en el de página 21, se aprecia
la variación del precio del gas natural en el mercado de
Nueva York y la variación del precio del barril de petróleo
en el mercado internacional en los últimos años.

Situación ambiental
El tema ambiental es una variable que todavía no tiene
peso económico en las decisiones energéticas pero se estima
que no tardará mucho en hacerlo, principalmente en lo
relacionado con las emisiones de gases con efecto invernadero
provocadas por la quema de los combustibles fósiles.
El Protocolo de Kioto, si bien no es de cumplimiento
obligatorio para nuestro país, puede en el futuro constituir
una barrera paraarancelaria.
Por todo lo anteriormente citado, para un país como el
nuestro, la relación entre las tecnologías de generación
que minimiza los efectos negativos y maximiza los positivos
de cada fuente energética es la que tienda a un equilibrio
en la participación de cada una de ellas. Entendemos
como fuentes energéticas, para el sistema interconectado
principalmente, a la generación con combustibles fósiles,
la generación hidráulica y la generación nuclear.
Por lo tanto esto implica que, para que este equilibrio
se alcance, debe crecer la participación nuclear y un plan
energético de mediano y largo plazo que esté dentro del
contexto del desarrollo sustentable debe incluir indefectiblemente
la construcción de varias nuevas centrales nucleares,
en una magnitud que estimamos alrededor de
10.000 MW que deberían estar funcionando antes del
año 2025.

Aplicaciones tecnologicas de la radiaciones

Aplicaciones Tecnologicas de la Emision de los Atomos

El trazado isotópico en biología y en medicina

Los diferentes isótopos de un elemento tienen las mismas propiedades químicas. El reemplazo de uno por otro en una molécula no modifica, por consiguiente, la funciónde la misma. Sin embargo, la radiación emitida permite detectarla, localizarla, seguir su movimiento e, incluso, dosificarla a distancia. El trazado isotópico ha permitido estudiar así, sin perturbarlo, el funcionamiento de todo lo que tiene vida, de la célula al organismo entero. En biología, numerosos adelantos realizados en el transcurso de la segunda mitad del siglo XX están vinculados a la utilización de la radioactividad: funcionamiento del genoma (soporte de la herencia), metabolismo de la célula, fotosíntesis, transmisión de mensajes químicos (hormonas, neurotransmisores) en el organismo.

Los isótopos radioactivos se utilizan en la medicina nuclear, principalmente en las imágenes médicas, para estudiar el modo de acción de los medicamentos, entender el funcionamiento del cerebro, detectar una anomalía cardiaca, descubrir las metástasis cancerosas.

Las radiaciones y la radioterapia

Las radiaciones ionizantes pueden destruir preferentemente las células tumorales y constituyen una terapéutica eficaz contra el cáncer, la radioterapia, que fue una de las primeras aplicaciones del descubrimiento de la radioactividad.

En Francia, entre el 40 y el 50% de los cánceres se tratan por radioterapia, a menudo asociada a la quimioterapia o la cirugía. La radioactividad permite curar un gran número de personas cada año.

Las diferentes formas de radioterapia:

La curioterapia, utiliza pequeñas fuentes radioactivas (hilos de platino - iridio, granos de cesio) colocados cerca del tumor.

La tele radioterapia, consiste en concentrar en los tumores la radiación emitida por una fuente exterior.

La inmunorradioterapia, utiliza vectores radio marcados cuyos isótopos reconocen específicamente los tumores a los que se fijan para destruirlos.

La esterilización

La irradiación es un medio privilegiado para destruir en frío los microorganismos: hongos, bacterias, virus… Por esta razón, existen numerosas aplicaciones para la esterilización de los objetos, especialmente para el material médico-quirúrgico.

La protección de las obras de arte

El tratamiento mediante rayos gamma permite eliminar los hongos, larvas, insectos o bacterias alojados en el interior de los objetos a fin de protegerlos de la degradación. Esta técnica se utiliza en el tratamiento de conservación y de restauración de objetos de arte, de etnología, de arqueología.

La elaboración de materiales

La irradiación provoca, en determinadas condiciones, reacciones químicas que permiten la elaboración de materiales más ligeros y más resistentes, como aislantes, cables eléctricos, envolventes termo retractables, prótesis, etc.

La radiografía industrial X o g

Consiste en registrar la imagen de la perturbación de un haz de rayos X o g provocada por un objeto. Permite localizar los fallos, por ejemplo, en las soldaduras, sin destruir los materiales.

Los detectores de fugas y los indicadores de nivel

La introducción de un radioelemento en un circuito permite seguir los desplazamientos de un fluido, detectar fugas en las presas o canalizaciones subterráneas.

El nivel de un líquido dentro de un depósito, el espesor de una chapa o de un cartón en curso de su fabricación, la densidad de un producto químico dentro de una cuba… pueden conocerse utilizando indicadores radioactivos.

Los detectores de incendio

Una pequeña fuente radioactiva ioniza los átomos de oxígeno y de nitrógeno contenidos en un volumen reducido de aire. La llegada de partículas de humo modifica esta ionización. Por esta razón se realizan y se utilizan en los comercios, fábricas, despachos… detectores radioactivos sensibles a cantidades de humo muy pequeñas.

Las pinturas luminiscentes

Se trata de las aplicaciones más antiguas de la radioactividad para la lectura de los cuadrantes de los relojes y de los tableros de instrumentos para la conducción de noche.

La alimentación de energía de los satélites

Las baterías eléctricas funcionan gracias a pequeñas fuentes radioactivas con plutonio 239, cobalto 60 o estroncio 90. Estas baterías se montan en los satélites para su alimentación energética. Son de tamaño muy reducido y pueden funcionar sin ninguna operación de mantenimiento durante años.

La producción de electricidad

Las reacciones en cadena de fisión del uranio se utilizan en las centrales nucleares que, en Francia, producen más del 75% de la electricidad.

1. El ciclo del combustible nuclear

En un reactor, la fisión del uranio 235 provoca la formación de núcleos radioactivos denominados productos de fisión. La captura de neutrones por el uranio 238 produce un poco de plutonio 239 que puede proporcionar también energía por fisión.

Sólo una ínfima parte del combustible colocado en un reactor se quema en la fisión del núcleo. El combustible que no ha sido consumido y el plutonio formado se recuperan y se reciclan para producir de nuevo electricidad. Los otros elementos formados en el transcurso de la reacción se clasifican en tres categorías de residuos en función de su actividad, para ser embalados y luego almacenados.

2. La seguridad nuclear

La utilización de la fantástica fuente de energía contenida en el núcleo de los átomos implica el respeto riguroso de un conjunto de reglas de seguridad nuclear que permita asegurar el correcto funcionamiento de las centrales nucleares y la protección de la población.

3. Los residuos nucleares

Toda clase de actividad humana genera residuos. La industria nuclear no es una excepción a esta regla. Francia produce, de promedio, por año y por habitante:

5.000 Kg de residuos, de los cuales

100 Kg de residuos tóxicos, que incluyen

1 Kg de residuos nucleares de los cuales

5 gr de residuos son de alta actividad.

No sabemos aún destruir los residuos radioactivos. Su actividad disminuye naturalmente en el tiempo, más o menos rápido en función de su período. Deben utilizarse, por consiguiente, técnicas de confinamiento y de almacenamiento.

La reducción del volumen y de la actividad de los residuos radioactivos es, en Francia, un objetivo prioritario para la investigación. La amplitud del comportamiento a largo plazo de los residuos acumulados también es un eje primordial en la investigación

Radiactividad Natural

El calor natural de la Tierra que calienta a las aguas termales, o que proporciona energía a los géiseres o a un volcán proviene de las reacciones químicas nucleares que son producidas por la radiactividad de los minerales del interior de la Tierra.

    La radiactividad libera energía, pero no ha llegado a ser una fuente importante. En pequeña escala, la radiactividad se usa para alimentar pequeñas fuentes de energía en los vehículos espaciales y hace que se caliente una muestra de radio. A gran escala funde rocas y es la fuente de energía geotérmica que proviene del interior de la Tierra.
                  

    Las reglas de la radiactividad están regidas por la equivalencia entre la masa y la energía. Las partículas se desintegran sólo si los productos combinados tienen menos masa después de la desintegración que antes. La masa de un neutrón es ligeramente mayor que la masa total de un protón más un electrón (y el antineutrino). Cuando un neutrón se desintegra la masa final es menor que la masa inicial.

Uno de los factores que limitan el número de núcleos atómicos estables diferentes que pueden existir es la inestabilidad del neutrón. El neutrón sólo es radiactivo, por lo que se desintegra espontáneamente en un protón más un electrón (y un antineutrino).     No se produce una desintegración espontánea en las reacciones químicas nucleares en las que la masa final es mayor que la masa inicial. La reacción química nuclear opuesta, es decir, la desintegración de un protón para formar un neutrón sólo puede ocurrir si hay una aportación externa de energía.       Actualmente se conocen alrededor de 1500 núcleos diferentes de los que cerca de 300 son estables, es decir, no presentan tendencia a descomponerse con el transcurso del tiempo. La estabilidad de un átomo está en función de la relación neutrones/protones que cambia con el número atómico. Esta relación tiene un valor próximo a uno para los elementos químicos ligeros, por ejemplo, los isótopos 612C, 714N y 816O son estables. A medida que aumenta el número atómico la relación neutrones/protones aumenta hasta cerca de 1.5 en los elementos químicos pesados, por ejemplo, 82206Pb. Para un determinado elemento químico, son sólo unos pocos isótopos los que tienen una relación neutrones/protones requerida para ser estables.

    Al graficar el número de neutrones “contra” el número de protones de los isótopos se obtiene la zona conocida como “el cinturón de estabilidad”. Los isótopos estables tienen una relación neutrones/protones que cae dentro del “cinturón de estabilidad”. Para isótopos ligeros de peso atómico pequeño, la relación estable es de 1.0 y para los isótopos pesados aumenta hasta cerca de 1.5. No existen isótopos estables para elementos químicos de número atómico mayor a 83 (el bismuto). Los isótopos que tienen una relación neutrones/protones mayor o menor al “cinturón de estabilidad” son inestables y se descomponen espontáneamente por medio de un tipo de reacción nuclear que se llama radiactividad.

    Un núcleo inestable produce una reacción química llamada descomposición radiactiva o desintegración. En la naturaleza existen sólo unos pocos núcleos inestables y su descomposición se conoce como con el nombre de radiactividad natural. En el laboratorio se han preparado mucho más isótopos inestables y al proceso de descomposición de estos núcleos se le llama radiactividad artificial.

Radiactividad natural   

Este proceso fue descubierto en 1896 por el físico francés Antoine Henri Becquerel (1852-1908) que demostró que la velocidad de emisión de la radiación de una sal de uranio era directamente proporcional a la cantidad de uranio presente en la sal. La pechblenda, un mineral de uranio producía una radiación cuya velocidad era cuatro veces mayor que la calculada sobre la base de su contenido de uranio. En 1898, Becquerel y el matrimonio Marie (1867-1934) y Pierre (1859-1906) Curie investigaron el componente activo de la pechblenda y obtuvieron un nuevo elemento químico que tenía una radiactividad más intensa que el uranio y lo llamaron polonio. Seis meses más tarde los Curie aislaron otro nuevo elemento químico muy radiactivo al que llamaron radio.

    La radiactividad natural emite tres radiaciones que se conocen como radiaciones alfa (a), beta (b) y gamma (g), y nunca se emiten positrones.

    La radiación alfa (a) consiste en la emisión de partículas con carga positiva de +2 y con una masa de 4 uma. Estas partículas son idénticas a los núcleos de los átomos de helio ordinario ₂⁴He⁺².

    Cuando un núcleo emite una partícula alfa, su número atómico disminuye en 2 unidades y su masa atómica disminuye en 4 unidades. Por ejemplo, si un átomo de uranio de número atómico 92 y número de masa 238, emite una partícula alfa se produce un isótopo de torio de número atómico 90 y número de masa 234. El proceso nuclear se representa mediante la ecuación química nuclear:

₉₂ ²³⁸U    --->    ₉₀ ²³⁴Th + radiación alfa + radiación gamma.

    Como partículas alfa son núcleos de helio, ₂⁴He²⁺, contienen 2 protones y 2 neutrones, y una carga de +2, pero por convención la ecuación anterior se representa como:

₉₂ ²³⁸U   --->    ₉₀ ²³⁴Th +  ₂⁴He

    Esta ecuación química es una ecuación química nuclear típica en la que se conservan tanto los números de masa como los números atómicos, es decir, el número de masa del “reactivo” (238) es igual a la suma de los números de masa de los “productos” (234 + 4) y el número atómico (92) es igual a la suma de los números atómicos de los “productos” (90 + 2)

    La radiación beta (b) consiste de una emisión de partículas cargadas negativamente, de propiedades idénticas a las de los electrones. La emisión de partícula b (masa » 0, carga = -1) transforma a un neutrón (masa = 1, carga = 0) del núcleo en un protón (masa = 1, carga = +1). Por lo tanto, la emisión de radiación b no cambia el número de masa, pero el número atómico aumenta en una unidad. Un ejemplo de emisión de radiación b es la desintegración radiactiva del torio-234 (90 protones y 144 neutrones) a protactinio-234 (91 protones y 143  neutrones) más radiación b, que se representa mediante la ecuación química nuclear:

₉₀²³⁴Th   --->   ₉₁²³⁴Pa  +  _-1⁰e

    La radiación gamma (g) consiste en una emisión de fotones de alta energía y de longitud de onda muy corta (l = 0.0005 a 0.1 nm). La emisión de radiación gamma acompaña a casi todas las reacciones nucleares. Se produce debido a un cambio de energía en el núcleo. Un núcleo excitado, procedente de la emisión de partículas a o b, emite a su vez un fotón, descendiendo a un estado energético más bajo y más estable. La radiación g no produce ningún cambio en el número atómico ni en el número de masa. Esta es la razón por la que suele no escribirse en las ecuaciones de las reacciones nucleares.

    El torio-232 se desintegra radiactivamente en un proceso de tres etapas, en la primera etapa emite radiación a por lo que el torio disminuye su número de masa en 4 unidades y su número atómico en 2 unidades, por lo que se transforma en radio 228. La ecuación química nuclear que representa este proceso es:

₉₀²³²Th  --->  ₂⁴He  +  ₈₈²²⁸Ra

    En la segunda etapa el radio228 emite un electrón (radiación b) por lo que el número de masa no cambia y su número atómico aumenta en una unidad, por lo que se transforma en el isótopo actino 228. La ecuación química nuclear que representa este proceso es

₈₈²²⁸Ra   --->   _-1⁰e  +  ₈₉²²⁸Ac

    En la tercera etapa el actino 228 emite un electrón, por lo que no cambia su número de masa y su número atómico aumenta en una unidad, por lo que se transforma en el isótopo  torio 228. La ecuación química nuclear que representa esta etapa es:

₈₉²²⁸Ac  --->  _-1⁰e  +  ₉₀²²⁸Th

Radiactividad artificial o inducida. Reacciones de bombardeo.

    En los últimos 50 años se han obtenido en el laboratorio más de 1200 isótopos radiactivos. El número de isótopos por elemento químico varía desde uno (hidrógeno y boro) hasta 34 (indio). Todos ellos se obtienen por reacciones de bombardeo, en las que un núcleo estable se transforma en radiactivo. Una reacción típica de bombardeo se produce, por ejemplo, cuando se bombardea el isótopo estable del aluminio ₁₃²⁷Al con neutrones, al absorber un neutrón se transforma en el isótopo ₁₃²⁸Al que es inestable y se desintegra con emisión de un electrón formando un isótopo estable de silicio, ₁₄²⁸Si. Este proceso se representa mediante las ecuaciones nucleares:

₁₃²⁷Al  +  ₀¹n   --->    ₁₃²⁸Al  , para la reacción de bombardeo con neutrones.

₁₃²⁸Al   --->   ₁₄²⁸Si  +  _-1⁰e , para reacción de desintegración.

Los primeros isótopos radiactivos artificiales fueron elaborados, en 1934 por Irene Curie (1897-1956) y Frédéric Joliot (1900-1958), bombardeando isótopos estables con partículas a de alta energía. Por ejemplo, el aluminio se transforma en fósforo-30 radiactivo y se libera un neutrón, se representa mediante la ecuación nuclear: 1327Al  +  24He   --->   1530P  +  01n     El fósforo-30, que es radiactivo, se desintegra emitiendo una partícula llamada positrón, que tiene la misma masa que un electrón pero con carga +1 (10e, e+), este proceso se representa mediante la ecuación nuclear: 1530P   --->   1430Si  +  11e

    En la radiactividad natural nunca se emiten positrones pero es frecuente en la desintegración en la radiactividad inducida. Se puede observar en la ecuación de desintegración del fósforo-30, que el resultado de la emisión de un positrón es la transformación de un protón del núcleo en un neutrón (el ₁₅³⁰P tiene 15 protones y 15 neutrones y el ₁₄³⁰Si tiene 14 protones y 16 neutrones).

    La emisión de positrones se produce en los isótopos “ligeros” con núcleos poco estables, debido al bajo contenido de neutrones. Por ejemplo, el isótopo del carbono-11, ₆¹¹C, (tiene 6 protones y 5 neutrones) se desintegra formando el boro (₅¹¹B) y con la emisión de un positrón, dicho proceso de desintegración se representa mediante la ecuación nuclear siguiente:

₆¹¹C   --->   ₅¹¹B  +  ₁⁰e

    El isótopo pesado del mismo elemento químico, el carbono-14, ₆¹⁴C, (tiene 6 protones y 8 neutrones) se desintegra con la emisión de un electrón (_-1⁰e) transformándose en nitrógeno-14, ₇¹⁴N, (tiene 7 protones y 7 neutrones), lo que se representa mediante la ecuación nuclear siguiente: 

₆¹⁴C   --->   ₇¹⁴N  +  _-1⁰e

Una aplicación de las reacciones de bombardeo es la obtención de elementos químicos muy pesados. Quienes más han contribuido en este campo son los norteamericanos Glenn Theodore Seaborg (1912- ), Albert Ghiorso y sus colaboradores y el grupo ruso dirigido por G. N. Flerov. Seaborg propuso el uso de núcleos muy pesados como partículas de bombardeo para sintetizar elementos químicos de número atómico mucho más grande que cualquier otro conocido. Para utilizar este procedimiento se requiere de grandes aceleradores y por este método se sintetizaron elementos químicos con números atómicos más grandes que el del uranio (del 93 al 106).       El bombardeo con neutrones es efectivo para sintetizar los siguientes elementos químicos al uranio, pero el rendimiento decrece rápidamente al aumentar el número atómico. Por lo que, para sintetizar elementos químicos muy pesados es necesario bombardear blancos apropiados con iones positivos de alta energía, acelerados a velocidades muy altas. Es posible conseguir un aumento grande del número atómico, utilizando como partícula de bombardeo el carbono-12.

   
Síntesis de elementos químicos transuránicos por bombardeo con neutrones.

Uranio-238  --->  Neptunio-239:   ₉₂²³⁸U   +   ₀¹n   --->   ₉₂²³⁹U   --->   ₉₃²³⁹Np  +  _-1⁰

Neptunio-239  --->  Plutonio-239:   ₉₃²³⁹Np   --->  ₉₄²³⁹Pu  +   _-1⁰e

Plutonio-239  --->  Americio-241:    ₉₄²³⁹Pu  +   2  ₀¹n   --->   ₉₄²⁴¹Pu    --->    ₉₅²⁴¹Am  +   _-1⁰e

Síntesis de elementos químicos transuránicos por bombardeo con iones positivos.

Plutonio-239  --->  Curio-242:   ₉₄²³⁹Pu  +   ₂⁴He   --->    ₉₆²⁴²Cm   +   ₀¹n

Curio-242  --->  Californio-245:   ₉₆²⁴²Cm  +   ₂⁴He  --->    ₉₈²⁴⁵Cf   +     ₀¹n

Uranio-238  --->  Californio-246:     ₉₂²³⁸U  +   ₆¹²C   --->    ₉₈²⁴⁶Cf   +   4  ₀¹n

Californio-249  --->  Elemento 104:     ₉₈²⁴⁹Cf   +   ₆¹²C   --->     ₁₀₄²⁵⁷Unq   +   4  ₀¹n

Californio-240  --->  Elemento 105:     ₉₈²⁴⁹Cf   +   ₇¹⁵N   --->     ₁₀₅²⁶⁰Unp   +   4  ₀¹n

Californio-249  --->  Elemento 106:     ₉₈²⁴⁹Cf   +   ₈¹⁸O   --->     ₁₀₆²⁶³Unh   +   4  ₀¹n

Nota.  Los investigadores Estadounidenses propusieron los nombres de  “Rutherfordium”  y “Hahnium” para los elementos químicos 104 respectivamente y los investigadores rusos propusieron “Bohrium” y “Kurchatovium”. La Unión Internacional de Química Aplicada propuso los nombres de “Unnilquadium”, Unq; “Unnilpentium”, Unp; y Unnilhexium”, Unh, para los elementos químicos 104, 105 y 106 respectivamente.

    Los isótopos de los elementos muy pesados tienen un periodo de vida media muy cortos. La mayor parte de ellos han sido sintetizados en cantidades muy pequeñas, en algunos casos sólo unos pocos átomos. Uno de los grandes logros de los investigadores de estos elementos químicos es su habilidad para estudiar sus propiedades con muestras inferiores a los microgramos. Las evidencias químicas y físicas de los elementos químicos del 89 (Actino, Ac) al 102 (Nobelio, No) forman una serie de tierras raras, al ir completando el subnivel 5f. El elemento químico 103 forma una nueva serie de elementos químicos de transición.

Reactores nucleares

Un reactor nuclear es un dispositivo en donde se produce una reacción nuclear controlada. Se puede utilizar para la obtención de energía en las denominadas centrales nucleares, la producción de materiales fisionables, como el plutonio, para ser usados en armamento nuclear, la propulsión de buques o de satélites artificiales o la investigación. Una central nuclear puede tener varios reactores. Actualmente solo producen energía de forma comercial los reactores nucleares de fisión, aunque existen reactores nucleares de fusión experimentales.
La potencia de un reactor de fisión puede variar desde unos pocos kW térmicos a unos 4500 MW térmicos (1500 MW "eléctricos"). Deben ser instalados en zonas cercanas al agua, como cualquier central térmica, para refrigerar el circuito, y se emplazan en zonas sísmicamente estables para evitar accidentes. Poseen grandes medidas de seguridad. No emiten gases que dañen la atmósfera pero producen residuos radiactivos que duran decenas de miles de años, y que deben ser almacenados para su posterior uso en reactores avanzados y así reducir su tiempo de vida a unos cuantos cientos de años.

Reaccion controlada y espontanea

El proceso fundamental que conduce a la producción de energía nuclear es la fisión de un núcleo de uranio originado por un neutrón: en la fisión el núcleo se escinde en dos partes y alrededor de tres neutrones por término medio (neutrones rápidos); los fragmentos resultantes de la escisión emiten, además otros neutrones.
Los neutrones son fundamentales en las reacciones nucleares: una reacción en cadena se produce cuando un neutrón causa la fisión de un átomo fisible, produciéndose un mayor número de neutrones que causan a su vez otras fisiones. Según esta reacción se produzca de forma controlada o incontrolada se tiene lo siguiente:

• Reacción incontrolada: sólo se produce cuando se tiene una cantidad suficiente de combustible nuclear -masa crítica-; fundamento de la bomba nuclear.
• Reacción controlada: mediante el uso de un moderador en el reactor nuclear; fundamento del aprovechamiento de la energía nuclear.

Los neutrones actuan en las reacciones nucleares, que se producen cuando un neutron impulsa la fisión de un átomo y se genera un mayor numero de neutrones, que a su vez , causa nuevas fisiones. De acuerdo a como se produzca esta reacción, puede hablarse de reacción controlada (se utiliza el moderador de un reactor nuclear para aprovechar la energía nuclear) o reacción incontrolada (se produce una masa critica de combustible nuclear).

Tipos de reacciones: fisión-fusión

En esencia, cabe distinguir dos tipos de reacciones nucleares:

• Fisión nuclear: aquella en la que un átomo relativamente pesado se descompone en otros más ligeros en una reacción que suele acompañarse de la emisión de partículas radiactivas y de producción de grandes cantidades de energía. Esta reacción es común en la fabricación de bombas nucleares y es la que se induce en las centrales nucleares actuales para la obtención de energía eléctrica. Puede provocar problemas ambientales derivados de la necesidad de transportar y almacenar los residuos radiactivos peligrosos que produce y conlleva a estrictos controles de seguridad.
• Fusión nuclear: aquella en la que se unen dos núcleos ligeros para formar otro más pesado. Este tipo de reacción es la que tiene lugar en el interior de las estrellas (en las llamadas reacciones termonucleares) y les proporciona su brillo y su producción energética. En la escala terrestre, los experimentos realizados sobre fusión nuclear se enfrentan a un problema de primer orden: la dificultad de controlar las enormes cantidades de energía que se manejan en el proceso. No obstante, se considera que es la fuente de energía del futuro, por cuanto no produce residuos radiactivos peligrosos y podría obtenerse de combustibles tan económicos como el deuterio (hidrógeno 2) del agua del mar.

Fisión nuclear

La primera reacción nuclear realizada en la historia de la humanidad fue la fisión nuclear. Este proceso consiste, en sentido estricto, en la descomposición de un núcleo pesado en otros dos núcleos de masa y número atómico aproximadamente igual a la mitad del núcleo original. Los átomos de partida en los procesos de fisión nuclear son el uranio 235 (un isótopo raro del uranio, presente en 1/140 partes en sus menas naturales) y el plutonio.

Gráfica del defecto o diferencia de masa frente al número másico.

Las reacciones de fisión son muy exoenergéticas, y su primera utilización histórica se produjo en la bomba atómica que cayó sobre Hiroshima (Japón) al final de la Segunda Guerra Mundial. Hoy día, la fisión nuclear se emplea con fines civiles (centrales nucleares), de transporte (propulsión nuclear) y militares (armamento atómico). La primera reacción de fisión autosostenida se logró en 1942 en la Universidad de Chicago, merced a los trabajos del equipo de este centro que dirigía el físico de origen italiano Enrico Fermi (1901-1954).
Un ejemplo clásico de reacción de fisión nuclear es la ruptura del núcleo de uranio 235 por bombardeo con neutrones lentos, para producir núcleos de bario 139 y kriptón 86, además de neutrones y una energía de salida de 175 MeV. El esquema de esta reacción es el siguiente:

La producción de once neutrones en salida de este proceso es fundamental para lograr la continuidad de la misma, en forma de una reacción en cadena.

Fusión nuclear

El proceso de fusión nuclear es conceptualmente inverso al de la fisión. En la fusión, dos núcleos ligeros se unen entre sí para constituir un átomo más pesado. El rendimiento energético de las reacciones de fusión es muy superior al de las de fisión. En términos de energía por nucleón, en la fisión se producen 0,74 MeV, mientras que en las reacciones de fusión esta cifra se eleva hasta 3,52 MeV.
La forma más típica de reacción de fusión nuclear es la conversión de dos núcleos de hidrógeno (uno de deuterio, o hidrógeno 2, y otro de tritio, o hidrógeno 3) en uno de helio, con emisión de un neutrón y una cantidad de energía muy elevada. El esquema de esta reacción es el siguiente:

La fusión nuclear, en diversas cadenas reactivas (protón-protón y ciclo del carbono), constituye la fuente de energía de las estrellas.