Centrales nucleares

La energía nuclear se utiliza para generar energía eléctrica y esto se hace en las llamadas centrales nucleares a través de un proceso de fisión nuclear.

Dentro de la central nuclear se encuentran los reactores, que son las estructuras en las cuales ocurren las reacciones. Para el correcto funcionamiento del mismo es necesario:

• Moderadores: controlan la velocidad de los neutrones
• Combustible: el material que se fisiona
• Refrigerante: extrae el calor generado
• Elementos de control: controlan la emisión de neutrones ya que si es excesiva puede provocar explosiones
• Blindaje: evita que la radiación salga del reactor
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Su funcionamiento es el siguiente:

• Se bombardean núcleos de Uranio con neutrones dentro del reactor y éstos núcleos comienzan a fisionarse.
• Esto libera grandes cantidades de energía que calientan el agua presente en el reactor y provocan su evaporación
• Mediante un circuito de vapor pasa hasta una turbina y provocan que sus astas se muevan, lo cual hace que el generador se mueva produciendo energía
• Luego el vapor de agua se transforma en agua líquida a través de un circuito de condensación

Radiactividad y cuerpo humano

La radiación puede llegar a nuestro cuerpo no sólo de forma directa, por el contacto con el material radiactivo sino indirecta, a través del alimento, ya sean vegetales que tengan radiación por haberla adquirido de la tierra o de animales que hayan ingerido vegetales contaminados. Además, muchos desechos radiactivos se depositan en el mar, y la radiación pasa del agua a la vegetación, de la vegetación a los pesces y de éstos a nuestro cuerpo. Si entra en contacto con nuestro cuerpo la contaminación será permanente.

La radiación tiene gran afinidad biológica, es decir, que se incorpora a las células y cuando lo hace forma partículas llamadas radicales libres, que son la causa de las mutaciones en el ADN por las cuales luego de las grandes catástrofes nucleares seguian naciendo niños con mal formaciones, cánceres, alteraciones inmunológicas u hormonales.

Fisión nuclear

Entre 1930 y 1940 se comenzaron a bombardear núcleos con neutrones para crear nuevos elementos. Bombardeando un núcleo de Uranio con neutrones, encontraron que se emitían partículas beta, y se formaron un isótopo del Bario y uno del Criptón. A éste tipo de reacción en la que un átomo se divide en dos o más núcleos se le denomina fisión.

Generalmente, los productos iniciales de la fisión son muy inestables, son radiactivos, y siguen emitiendo radiación y transformándose en otros elementos, dando lugar a series radiactivas.

Durante este proceso se liberan cantidades muy grandes de energía, en el orden de los 200 Mev por núcleo fisionado y se origina por la diferencia de masa entre el núcleo inicial y los núcleos formados.

Reacción en cadena

En una fisión se liberan neutrones, y éstos neutrones, si tienen la suficiente energía pueden impactar con otros núcleos, produciendo su división, con la cual se emitirán nuevos neutrones, dando una reacción en cadena. Para que se de la reacción en cadena los neutrones deben ser capaces de fusionar los núcleos, y debe haber una masa crítica, es decir, una mínima masa de material radiactivo inicial que permita que la cadena continue sin intervención externa.

Tipos de desintegración

Desintegración alfa
Una partícula alfa es idéntica a el núcleo de un átomo de He(con 2 protones y 2 neutrones), por lo tanto son partículas bastante pesadas. Luego de eliminar una partícula alfa, el átomo posee un número de protones y neutrones diferentes al inicial: el número atómico disminuye en dos unidades y el másico en cuatro unidades. No son partículas muy penetrantes, pueden ser detenidas con una hoja de papel, pero si llegan a entrar en nuestro organismo, a través de la ingesta o de las mucosas, provocan mayor daño que los otros tipos de partículas debido a su gran poder de ionización.

Desintegración Beta
En este tipo de desintegración los átomos emiten partículas que tienen una masa igual a la de los electrones. Poseen una unidad elemental de carga y su signo puede ser positivo o negativo. Luego de ésta desintegración el átomo posee el mismo número másico pero su número atómico aumenta o disminuye en una unidad, dependiendo de que haya emitido una partícula positiva o una negativa. Son partículas más penetrantes que las alfa, pero menos destructivas, pueden ser frenadas con una fina lámina de aluminio.

Rayos gamma
Los rayos gamma son radiación electromagnética. ondas de energía, que pueden ser ondas de radio, no son partículas, por lo tanto no tienen carga ni masa. Es un tipo de radiación muy penetrante, por su alto poder ionizante puede causar cáncer si afecta nuestro ADN. Pueden ser frenadas con 15 centímetros de plomo, 1,5 metros de cemento o un metro de agua.

Ley de la desintegración radiactiva

La hipótesis de Rutherford y Soddy determina que la radiactividad es una transformación atómica por la cual un elemento se convierte en otro a través de la emisión de partículas o radiaciones.
La radiactividad es un fenómeno espontáneo y la velocidad de desintegración es constante, sin importar las condiciones del ambiente. La constante de desintegración(λ) expresa el porcentaje de átomos que se desintegra por unidad de tiempo, es única para cada tipo de átomo.
Con la siguiente ecuación podemos calcular la cantidad de átomos que quedan en una  mezcla luego de cierto tiempo, conociendo la cantidad inicial. O conocer el tiempo que transcurrió conociendo la cantidad final e inicial de un determinado material:

N= No. e^-λ.t

Período de semidesintegración

Es el tiempo necesario para que se desintegre la mitad de los átomos radiactivos existentes en un instante inicial:

N=No/2

No/2=No.e^-λ.T

2= e^-λ.T

ln2=λ.T

T=0,693/λ

Obsérvese que en la primer ecuación planteada en esta nota la t significa tiempo de desintegración, tiempo que tarda en desintegrarse toda la muestra, y en las ecuaciones planteadas luego la letra T significa tiempo de semidesintegración, es decir, tiempo que demora en desintegrarse la totalidad de la muestra.  

Vida media 

Es un valor promedio de la vida de los átomos de una especie radiactiva, es la suma de los tiempos de existencia de cada uno de los átomos de la muestra dividida por el número inicial de átomos existentes en la respectiva especie radiactiva.

Descubrimiento de la radiactividad

En 1896 Becquerel hizo una experiencia de laboratorio para estudiar el fenómeno de fluorescencia. Dentro de un sobre de papel negro introdujo una placa fotográfica y sobre él láminas de sulfato doble de uranio y portasio. Colocó éste dispositivo  la luz del sol y al revelar la placa observó manchas oscuras, debidas a que el uranio podía atravesar el sobre e impresionar sobre la placa fotográfica.

Para repetir el experimento, armó el mismo dispositivo, pero como el día estaba nublado lo colocó dentro de un cajón junto con la sal, al revelar la placa observó que tenía muchas manchas oscuras. Dedujo que esas manchas eran producto de la emisión del Uranio de una radiación desconocida.

Luego de eso, el matrimonio Curie se dedicó a buscar sustancias radiactivas que no fueran Uranio y encontraron el Radio y el Polonio.

Isótopos estables y radiactivos

Los isótopos estables son átomos que no se alteran durante largos períodos de tiempo, o que sí sufren alteración pero no es medible. En éstos nucleidos, la relación entre protones y neutrones se mantiene dentro de ciertos límites.

En éste gráfico se representa l número de neutrones en función del número de protones para varios isótopos. Los núcleos más estables se encuentran dentro del cinturón de estabilidad. Los núcleos radiactivos se encuentran fuera de la banda de estabilidad.

Los isótopos inestables se denominan radiactivos, o radisótopos, y en ellos, la relación protón/neutrón no está dentro de los límites de la estabilidad. Los núcleos de éstos átomos emiten partículas y radiación. Existen radisótopos naturales y artificiales.

Tipos de nucleidos

Con el término nucleido se denomina a todas las combinaciones de protones y neutrones que se pueden formar.

Isótopos: son átomos que tienen la misma cantidad de protones(igual Z) pero distinta cantidad de neutrones(distinto A). Son químicamente idénticos pero sus núcleos son diferentes en cuanto a su estabilidad

Isóbaros: son átomos con igual número de masa, es decir, con la misma cantidad de partículas en su núcleo pero distinto número atómico, por lo tanto son químicamente diferentes entre sí

Isótonos: son átomos con igual número de neutrones pero diferente número atómico y másico, también son químicamente diferentes entre sí

Energía de enlace del núcleo

Las fuerzas que mantienen unidas a las partículas en el núcleo se llaman fuerzas nucleares, se dan entre protones y neutrones pero no se conoce su naturaleza.

Se supone que la masa del núcleo es igual a la suma de la masa de los protones que contiene (Z) y la masa de los neutrones que lo forman (A-Z). Como el átomo de hidrógeno está formado por un protón y un electrón, suponemos que la masa de un átomo es:

ZmH + (A-Z)mneutrones

Sin embargo, el cálculo experimenal de la masa de diferentes núcleos siempre da un valor menor que el calculado utilizando la ecuación anterior. La diferencia entre la masa calculada teóricamente y la calculada experimentalmente se denomina defecto de masa y se expresa como:

ΔM= ZmH + (A-Z)mn - M

El defecto de masa es la fracción de masa que se libera en forma de energía si construimos artificialmente el átomo a partir de sus protones, neutrones y electrones. Y esa misma energía se debería aplicar al átomo para romperlo en sus partículas.

Para determinar a qué energía equivale esa masa se utiliza la relación entre masa y energía determinada por Einstein:

                                                 

 

Donde c es la velocidad de la luz y E la energía equivalente a la masa m. Si utilizamos los gramos como unidad para la masa, y cm/seg como unidad para la velocidad de la luz, la unidad de energía será ergios. 

Si dividimos la energía entre la cantidad de nucleones existentes se obtiene la energía de enlace por nucleón

En ésta gráfica está representada la energía de enlace por nucleón en función del número másico. Cuanto más fuerte es la energía de enlace por nucleón más estable es el núcleo.

Núcleo

Según el modelo atómico de Rutherford el átomo está formado por un núcleo y a su alrededor se distribuyen los electrones. En el núcleo se encuentran protones(partículas con carga positiva) y neutrones( partículas sin carga). Para que el átomo sea eléctricamente neutro la cantidad de protones debe de ser igual a la cantidad de electrones(partículas con carga negativa). 

Toda la masa del átomo está concentrada en el núcleo, ya que los neutrones y protones tienen más masa que los electrones, y como el volumen del átomo es muy pequeño, su densidad es muy alta. De acuerdo con la Ley de Coulomb las cargas iguales se repelen, si en un pequeño volumen se encuentran muy juntas partículas con carga positiva suponemos que deberían repelerse y el núcleo no podría existir. Ésto no sucede, porque de hecho el núcleo existe, y por eso existe la materia, por lo que deben haber otro tipo de fuerzas que mantienen unidas de manera muy fuerte a las partículas. 

La estabilidad del núcleo depende de la relación entre las fuerzas de repulsión y las de atracción: si las primeras predominan sobre las de atracción el núcleo se desintegra. Si predominan las de atracción el núcleo es estable.