La 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 o bien por Fusión Nuclear. 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.

Los primeros pasos que dio el hombre para la obtención y transformación de esta clase de energía, data de los años 1930-1945, cuando se obtuvo en forma artificial y controlada esta forma de energía, para la construcción de la primera bomba atómica. Desde entonces se han realizado adelantos he investigaciones en este campo para su aplicación para el beneficio de la humanidad.

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 (del griego átomos, indivisible).

En 1803 el químico inglés John Dalton propone una nueva teoría sobre la constitución de la materia. Según Dalton toda la materia se podía dividir en dos grandes grupos: los elementos y los compuestos. Los elementos estarían constituidos por unidades fundamentales, que en honor a Demócrito, Dalton denominó átomos. Los compuestos se constituirían de moléculas, cuya estructura viene dada por la unión de átomos en proporciones definidas y constantes. La teoría de Dalton seguía considerando el hecho de que los átomos eran partículas indivisibles.

Hacia finales del siglo XIX, se descubrió que los átomos no son indivisibles, pues se componen de varios tipos de partículas elementales. La primera en ser descubierta fue el electrón en el año 1897 por el investigador Sir Joseph Thomson, quién recibió el Premio Nobel de Física en 1906. Posteriormente, Hantaro Nagaoka (1865-1950) durante sus trabajos realizados en Tokio, propone su teoría según la cual los electrones girarían en órbitas alrededor de un cuerpo central cargado positivamente, al igual que los planetas alrededor del Sol. Hoy día sabemos que la carga positiva del átomo se concentra en un denso núcleo muy pequeño, en cuyo alrededor giran los electrones.

El núcleo del átomo se descubre gracias a los trabajos realizados en la Universidad de Manchester, bajo la dirección de Ernest Rutherford entre los años 1909 a 1911. El experimento utilizado consistía en dirigir un haz de partículas de cierta energía contra una plancha metálica delgada, de las probabilidades que tal barrera desviara la trayectoria de las partículas, se dedujo la distribución de la carga eléctrica al interior de los átomos.

Radiactividad

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.

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 Uranio - 235.

El proceso de la fisión permite el funcionamiento de los Reactores Nucleares que actualmente operan en el mundo.

Fusión Nuclear

La fusión nuclear ocurre cuando dos núcleos atómicos muy livianos se unen, formando un núcleo atómico más pesado con mayor estabilidad. Estas reacciones liberan energías tan elevadas que en la actualidad se estudian formas adecuadas para mantener la estabilidad y confinamiento de las reacciones.

La energía necesaria para lograr la unión de los núcleos se puede obtener utilizando energía térmica o bien utilizando aceleradores de partículas. Ambos métodos buscan que la velocidad de las partículas aumente para así vencer las fuerzas de repulsión electrostáticas generadas al momento de la colisión necesaria para la fusión.

Para obtener núcleos de átomos aislados, es decir, separados de su envoltura de electrones, se utilizan gases sobrecalentados que constituyen el denominado Plasma Físico. Este proceso es propio del Sol y las estrellas, pues se tratan de gigantescas estructuras de mezclas de gases calientes atrapadas por las fuerzas de gravedad estelar.

El confinamiento de las partículas se logra utilizando un "Confinamiento Magnético", o bien un "Confinamiento Inercial". El Confinamiento Magnético aprovecha el hecho que el plasma está compuesto por partículas (núcleos) con carga eléctrica. Se sabe que si una de estas partículas interactúa con un Campo Magnético su trayectoria y velocidad cambian, quedando atrapadas por dicho Campo. El Confinamiento Inercial permite comprimir el plasma hasta obtener densidades de 200 a 1000 veces mayor que la de sólidos y líquidos. Cuando se logra la compresión deseada se eleva la temperatura del elemento, lo que facilita aún más el proceso de la fusión.

Inconvenientes de la energía nuclear

*Almacenamiento de residuos radiactivos
*Riesgo de accidentes nucleares
*Transporte de residuos radiactivos
*Recalentamiento de los ríos
*Aumento de las enfermedades provocadas por la radiactividad
*Contaminación de las personas que trabajan con energía nuclear
*Contaminación radiactiva del entorno
*Accidente nuclear
*Accidentes en el transporte de residuos radiactivos
*Recalentamiento de los ríos

Aprovechamiento de la Energía Nuclear

Durante los últimos decenios, se han alcanzado logros importantes en campos de la energía y el medio ambiente, la medicina, la agricultura y la industria, entre otros, en los que se aplican ampliamente las tecnologías nuclear y de las radiaciones. Su utilización nos permite, por ejemplo, detectar, localizar, representar visualmente y medir lo que nuestros ojos no pueden ver; destruir células y gérmenes cancerígenos; localizar recursos hídricos, entre otros.

La energía Nuclear y La Medicina

Quizás el uso de las técnicas nucleares en los campos del diagnóstico, la obtención de imágenes y el tratamiento del cáncer sea el más conocido y ampliamente aceptado. De hecho, la medicina moderna no podría concebirse sin la radiología con fines de diagnóstico y la radioterapia. En el mundo industrializado occidental, estas técnicas se han vuelto corrientes, tan fiables y tan precisas que aproximadamente uno de cada tres pacientes es sometido a alguna forma de procedimiento radiológico terapéutico o de diagnóstico.

La Energía Nuclear y la Alimentación

Se ha desarrollado la técnica del empleo de las radiaciones ionizantes para la conservación de alimentos, ampliación de su período de consumo, y reducción de las pérdidas causadas por insectos después de la recolección. La técnica del tratamiento de alimentos con energía ionizante consiste en exponer los alimentos a una dosis de radiación gamma predeterminada y controlada. Esta técnica consume menos energía que los métodos convencionales y puede reemplazar o reducir radicalmente el uso de aditivos y fumigantes en los alimentos.

El proceso es frío, en consecuencia, los alimentos tratados conservan la frescura (pescado, frutas, verduras) y su estado físico (comestibles congelados o secos). La técnica elimina del alimento envasado los agentes causantes de su deterioro, como bacterias, hongos, insectos, etc., evitando la recontaminación.

La irradiación impide los brotes en tubérculos y raíces comestibles; impide la reproducción de insectos y parásitos; inactiva bacterias, esporas y mohos; y retrasa la maduración de frutas. Esta técnica es aceptada y recomendada por la FAO, OMS y el OIEA.

La energía nuclear y la Agricultura

La utilización de técnicas nucleares en el campo de la agricultura es de importancias primordial para el mundo en desarrollo.

Las técnicas radioisotópicas y de las radiaciones que se aplican en este campo pueden inducir mutaciones en las plantas para obtener las variedades de cultivos agrícolas deseadas.

Determinar las condiciones para optimizar el uso de los fertilizantes y del agua, y la fijación biológica del nitrógeno.

La técnica permite calcular el total de nitrógeno que se ha fijado durante todo el período de crecimiento. Por este medio, pueden determinarse y seleccionarse para el mejoramiento genético leguminosas fijadoras de nitrógeno más eficiente con mayor rendimiento y contenido proteínico.

Erradicar o luchar contra las plagas de insectos. Esta técnica consiste en la esterilización de insectos machos criados en instalaciones, mediante la irradiación antes de incubación, y la posterior suelta de millones de insectos estériles en zonas infectadas. Al aparearse con los insectos hembras, no se produce descendencia, lo que va reduciendo gradualmente, y acaba por erradicar, la población de insectos.

Aumentar la variabilidad genética de las especies vegetales;

Reducir las pérdidas posteriores a la cosecha eliminando la germinación y la contaminación y prolongando el período de conservación de los productos alimenticios. El uso de la tecnología de las radiaciones para conservar los alimentos aumenta cada día en el mundo. En 37 países, las autoridades sanitarias y de seguridad de los alimentos han aprobado la irradiación de más de 40 clases de productos alimenticios, que van desde especias y granos hasta pollo deshuesado, frutas y vegetales.

Ayudar a determinar las rutas de los plaguicidas y los productos agroquímicos en el medio ambiente y en la cadena alimentaria.

La energía nuclear y la Industria

La utilización de los radioisótopos y radiaciones en la industria moderna es de gran importancia para el desarrollo y mejoramiento de los procesos, para las mediciones y la automatización y para el Control de Calidad. En la actualidad, casi todas las ramas de la industria utilizan radioisótopos y radiaciones en diversas formas. El empleo de medidores radioisotópicos de espesor es un requisito previo para la completa automatización de las líneas de producción de alta velocidad de hojas de acero o de papel. Los trazadores brindan información exacta sobre las condiciones de equipos industriales costosos y permiten prolongar su vida útil.