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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