La tecnología nuclear es la tecnología que implica las reacciones nucleares de los núcleos atómicos . Entre las tecnologías nucleares notables están los reactores nucleares , la medicina nuclear y las armas nucleares . También se utiliza, entre otras cosas, en detectores de humo y miras para armas .
La gran mayoría de los fenómenos naturales comunes en la Tierra solo involucran la gravedad y el electromagnetismo , y no las reacciones nucleares. Esto se debe a que los núcleos atómicos generalmente se mantienen separados porque contienen cargas eléctricas positivas y, por lo tanto, se repelen entre sí.
En 1896, Henri Becquerel estaba investigando la fosforescencia en las sales de uranio cuando descubrió un nuevo fenómeno que llegó a llamarse radiactividad . [1] Él, Pierre Curie y Marie Curie comenzaron a investigar el fenómeno. En el proceso, aislaron el elemento radio , que es altamente radiactivo. Descubrieron que los materiales radiactivos producen rayos intensos y penetrantes de tres tipos distintos, que denominaron alfa, beta y gamma por las tres primeras letras griegas . Algunos de estos tipos de radiación podían atravesar la materia ordinaria y todos ellos podían ser dañinos en grandes cantidades. Todos los primeros investigadores recibieron diversas quemaduras por radiación , muy parecidas a las quemaduras solares , y no les dieron mucha importancia.
El nuevo fenómeno de la radiactividad fue aprovechado por los fabricantes de medicinas curativas (como lo habían hecho antes los descubrimientos de la electricidad y el magnetismo ) y se propusieron una serie de medicamentos patentados y tratamientos que implicaban radiactividad.
Poco a poco se fue dando cuenta de que la radiación producida por la desintegración radiactiva era radiación ionizante y que incluso cantidades demasiado pequeñas para quemarse podían suponer un grave peligro a largo plazo . Muchos de los científicos que trabajaban en el campo de la radiactividad murieron de cáncer como resultado de su exposición. Los medicamentos patentados radiactivos prácticamente desaparecieron, pero persistieron otras aplicaciones de los materiales radiactivos, como el uso de sales de radio para producir diales brillantes en los medidores .
A medida que se fue entendiendo mejor el átomo, la naturaleza de la radiactividad se hizo más clara. Algunos núcleos atómicos más grandes son inestables y, por lo tanto, se desintegran (liberan materia o energía) después de un intervalo aleatorio. Las tres formas de radiación que descubrieron Becquerel y los Curie también se entienden mejor. La desintegración alfa es cuando un núcleo libera una partícula alfa , que son dos protones y dos neutrones , equivalentes a un núcleo de helio . La desintegración beta es la liberación de una partícula beta , un electrón de alta energía . La desintegración gamma libera rayos gamma , que a diferencia de la radiación alfa y beta no son materia sino radiación electromagnética de frecuencia muy alta , y por lo tanto energía . Este tipo de radiación es la más peligrosa y la más difícil de bloquear. Los tres tipos de radiación se producen de forma natural en ciertos elementos .
También ha quedado claro que la fuente última de la mayor parte de la energía terrestre es nuclear, ya sea a través de la radiación del Sol causada por reacciones termonucleares estelares o por la desintegración radiactiva del uranio dentro de la Tierra, la principal fuente de energía geotérmica .
En la radiación nuclear natural, los subproductos son muy pequeños en comparación con los núcleos de los que se originan. La fisión nuclear es el proceso de dividir un núcleo en partes aproximadamente iguales y liberar energía y neutrones en el proceso. Si estos neutrones son capturados por otro núcleo inestable, también pueden fisionarse, lo que lleva a una reacción en cadena . El número promedio de neutrones liberados por núcleo que pasan a fisionar otro núcleo se denomina k . Los valores de k mayores que 1 significan que la reacción de fisión está liberando más neutrones de los que absorbe y, por lo tanto, se denomina reacción en cadena autosostenida. Una masa de material fisionable lo suficientemente grande (y en una configuración adecuada) para inducir una reacción en cadena autosostenida se denomina masa crítica .
Cuando un neutrón es capturado por un núcleo adecuado, puede producirse una fisión de inmediato o el núcleo puede permanecer en un estado inestable durante un breve período. Si hay suficientes desintegraciones inmediatas para continuar la reacción en cadena, se dice que la masa es crítica inmediata y la liberación de energía aumentará rápidamente y sin control, lo que generalmente conduce a una explosión.
Cuando se descubrió en vísperas de la Segunda Guerra Mundial , esta idea llevó a varios países a iniciar programas que investigaban la posibilidad de construir una bomba atómica , un arma que utilizaba reacciones de fisión para generar mucha más energía de la que se podía crear con explosivos químicos. El Proyecto Manhattan , dirigido por Estados Unidos con la ayuda del Reino Unido y Canadá , desarrolló múltiples armas de fisión que se utilizaron contra Japón en 1945 en Hiroshima y Nagasaki . Durante el proyecto, también se desarrollaron los primeros reactores de fisión , aunque estaban destinados principalmente a la fabricación de armas y no generaban electricidad.
En 1951, la primera planta de energía de fisión nuclear fue la primera en producir electricidad en el Reactor Reproductor Experimental N° 1 (EBR-1), en Arco, Idaho, marcando el comienzo de la "Era Atómica" de un uso más intensivo de la energía por parte de los seres humanos. [2]
Sin embargo, si la masa es crítica solo cuando se incluyen los neutrones retardados, entonces la reacción puede controlarse, por ejemplo, mediante la introducción o eliminación de absorbedores de neutrones . Esto es lo que permite construir reactores nucleares . Los neutrones rápidos no son fácilmente capturados por los núcleos; deben ser ralentizados (neutrones lentos), generalmente mediante la colisión con los núcleos de un moderador de neutrones , antes de que puedan ser capturados fácilmente. Hoy en día, este tipo de fisión se utiliza comúnmente para generar electricidad.
Si los núcleos se ven obligados a colisionar, pueden sufrir fusión nuclear . Este proceso puede liberar o absorber energía. Cuando el núcleo resultante es más ligero que el del hierro , normalmente se libera energía; cuando el núcleo es más pesado que el del hierro, generalmente se absorbe energía. Este proceso de fusión ocurre en las estrellas , que obtienen su energía del hidrógeno y el helio . Forman, a través de la nucleosíntesis estelar , los elementos ligeros ( litio a calcio ) así como algunos de los elementos pesados (más allá del hierro y el níquel , a través del proceso S ). La abundancia restante de elementos pesados, desde el níquel hasta el uranio y más allá, se debe a la nucleosíntesis de supernova , el proceso R.
Por supuesto, estos procesos naturales de la astrofísica no son ejemplos de "tecnología" nuclear. Debido a la fuerte repulsión de los núcleos, la fusión es difícil de lograr de manera controlada. Las bombas de hidrógeno obtienen su enorme poder destructivo de la fusión, pero su energía no se puede controlar. La fusión controlada se logra en aceleradores de partículas ; así es como se producen muchos elementos sintéticos . Un fusor también puede producir fusión controlada y es una fuente útil de neutrones . Sin embargo, ambos dispositivos operan con una pérdida neta de energía. La energía de fusión controlada y viable ha demostrado ser difícil de alcanzar, a pesar de algún engaño ocasional . Las dificultades técnicas y teóricas han obstaculizado el desarrollo de tecnología de fusión civil funcional, aunque la investigación continúa hasta el día de hoy en todo el mundo.
La fusión nuclear se intentó inicialmente sólo en etapas teóricas durante la Segunda Guerra Mundial, cuando los científicos del Proyecto Manhattan (dirigido por Edward Teller ) la investigaron como método para construir una bomba. El proyecto abandonó la fusión después de concluir que requeriría una reacción de fisión para detonar. Hubo que esperar hasta 1952 para que se detonara la primera bomba de hidrógeno completa , llamada así porque utilizaba reacciones entre deuterio y tritio . Las reacciones de fusión son mucho más energéticas por unidad de masa de combustible que las reacciones de fisión, pero iniciar la reacción en cadena de fusión es mucho más difícil.
Un arma nuclear es un dispositivo explosivo que obtiene su fuerza destructiva de reacciones nucleares , ya sea fisión o una combinación de fisión y fusión . Ambas reacciones liberan grandes cantidades de energía a partir de cantidades relativamente pequeñas de materia. Incluso los dispositivos nucleares pequeños pueden devastar una ciudad por explosión, fuego y radiación. Las armas nucleares se consideran armas de destrucción masiva , y su uso y control ha sido un aspecto importante de la política internacional desde su aparición.
El diseño de un arma nuclear es más complicado de lo que parece. Una arma de este tipo debe mantener estables una o más masas fisionables subcríticas para su despliegue y luego inducir la criticidad (crear una masa crítica) para la detonación. También es bastante difícil garantizar que una reacción en cadena de este tipo consuma una fracción significativa del combustible antes de que el dispositivo explote. La obtención de un combustible nuclear también es más difícil de lo que parece, ya que actualmente no existen en la Tierra sustancias suficientemente inestables para este proceso en cantidades adecuadas.
Un isótopo del uranio , el uranio-235, se encuentra en la naturaleza y es bastante inestable, pero siempre se encuentra mezclado con el isótopo más estable, el uranio-238. Este último representa más del 99% del peso del uranio natural. Por lo tanto, se debe aplicar algún método de separación de isótopos basado en el peso de tres neutrones para enriquecer (aislar) el uranio-235.
Otra posibilidad es que el elemento plutonio posea un isótopo lo suficientemente inestable como para que sea posible utilizarlo en este proceso. Actualmente, el plutonio terrestre no se encuentra en la naturaleza en cantidades suficientes para tal uso, [3] por lo que debe fabricarse en un reactor nuclear .
Finalmente, el Proyecto Manhattan fabricó armas nucleares basadas en cada uno de estos elementos. Detonaron la primera arma nuclear en una prueba con el nombre en código " Trinity ", cerca de Alamogordo , Nuevo México , el 16 de julio de 1945. La prueba se realizó para garantizar que el método de detonación por implosión funcionaría, lo que sucedió. Una bomba de uranio, Little Boy , fue lanzada sobre la ciudad japonesa de Hiroshima el 6 de agosto de 1945, seguida tres días después por la bomba Fat Man basada en plutonio sobre Nagasaki . A raíz de una devastación y bajas sin precedentes causadas por una sola arma, el gobierno japonés pronto se rindió, poniendo fin a la Segunda Guerra Mundial .
Desde estos bombardeos , no se han desplegado armas nucleares ofensivamente. Sin embargo, impulsaron una carrera armamentista para desarrollar bombas cada vez más destructivas para proporcionar una disuasión nuclear . Poco más de cuatro años después, el 29 de agosto de 1949, la Unión Soviética detonó su primera arma de fisión . El Reino Unido siguió el 2 de octubre de 1952; Francia , el 13 de febrero de 1960; y China , el componente de un arma nuclear. Aproximadamente la mitad de las muertes de Hiroshima y Nagasaki murieron entre dos y cinco años después por exposición a la radiación. [4] [5] Un arma radiológica es un tipo de arma nuclear diseñada para distribuir material nuclear peligroso en áreas enemigas. Tal arma no tendría la capacidad explosiva de una bomba de fisión o fusión, pero mataría a muchas personas y contaminaría un área grande. Nunca se ha desplegado un arma radiológica. Si bien un ejército convencional la considera inútil, tal arma plantea preocupaciones sobre el terrorismo nuclear .
Se han realizado más de 2.000 pruebas nucleares desde 1945. En 1963, todos los estados nucleares y muchos no nucleares firmaron el Tratado de Prohibición Limitada de Ensayos Nucleares , comprometiéndose a abstenerse de probar armas nucleares en la atmósfera, bajo el agua o en el espacio ultraterrestre . El tratado permitió pruebas nucleares subterráneas . Francia continuó las pruebas atmosféricas hasta 1974, mientras que China continuó hasta 1980. La última prueba subterránea de Estados Unidos fue en 1992, la Unión Soviética en 1990, el Reino Unido en 1991, y tanto Francia como China continuaron las pruebas hasta 1996. Después de firmar el Tratado de Prohibición Completa de Ensayos Nucleares en 1996 (que en 2011 no había entrado en vigor), todos estos estados se han comprometido a suspender todas las pruebas nucleares. Los no signatarios India y Pakistán probaron armas nucleares por última vez en 1998.
Las armas nucleares son las armas más destructivas que se conocen: el arquetipo de las armas de destrucción masiva . Durante la Guerra Fría , las potencias enfrentadas contaban con enormes arsenales nucleares, suficientes para matar a cientos de millones de personas. Generaciones de personas crecieron bajo la sombra de la devastación nuclear, retratada en películas como Dr. Strangelove y El café atómico .
Sin embargo, la enorme liberación de energía en la detonación de un arma nuclear también sugirió la posibilidad de una nueva fuente de energía.
La energía nuclear es un tipo de tecnología nuclear que implica el uso controlado de la fisión nuclear para liberar energía que permita realizar trabajos, como propulsión, calor y generación de electricidad. La energía nuclear se produce mediante una reacción nuclear en cadena controlada que crea calor, que se utiliza para hervir agua, producir vapor y accionar una turbina de vapor. La turbina se utiliza para generar electricidad o realizar trabajo mecánico.
En la actualidad, la energía nuclear proporciona aproximadamente el 15,7% de la electricidad mundial (en 2004) y se utiliza para propulsar portaaviones , rompehielos y submarinos (hasta ahora, la economía y los temores en algunos puertos han impedido el uso de energía nuclear en barcos de transporte). [6] Todas las plantas de energía nuclear utilizan fisión. Ninguna reacción de fusión creada por el hombre ha dado como resultado una fuente viable de electricidad.
Las aplicaciones médicas de la tecnología nuclear se dividen en diagnóstico y tratamiento con radiación.
Imágenes: el uso más importante de la radiación ionizante en medicina es en la radiografía médica para obtener imágenes del interior del cuerpo humano mediante rayos X. Esta es la mayor fuente artificial de exposición a la radiación para los seres humanos. Los equipos de imágenes de rayos X médicos y dentales utilizan cobalto-60 u otras fuentes de rayos X. Se utilizan varios radiofármacos , a veces unidos a moléculas orgánicas, para actuar como trazadores radiactivos o agentes de contraste en el cuerpo humano. Los nucleótidos emisores de positrones se utilizan para obtener imágenes de alta resolución y en un lapso de tiempo corto en aplicaciones conocidas como tomografía por emisión de positrones .
La radiación también se utiliza para tratar enfermedades en radioterapia .
Dado que algunas radiaciones ionizantes pueden penetrar la materia, se utilizan para diversos métodos de medición. Los rayos X y los rayos gamma se utilizan en la radiografía industrial para obtener imágenes del interior de productos sólidos, como medio de inspección y ensayo no destructivo . La pieza que se va a radiografiar se coloca entre la fuente y una película fotográfica en un casete. Después de un cierto tiempo de exposición, la película se revela y muestra los posibles defectos internos del material.
Medidores : Los medidores utilizan la ley de absorción exponencial de los rayos gamma.
Control electrostático : para evitar la acumulación de electricidad estática en la producción de papel, plásticos, textiles sintéticos, etc., se puede colocar una fuente con forma de cinta del emisor alfa 241 Am cerca del material al final de la línea de producción. La fuente ioniza el aire para eliminar las cargas eléctricas del material.
Trazadores radiactivos : dado que los isótopos radiactivos se comportan, químicamente, en su mayor parte como el elemento inactivo, el comportamiento de una determinada sustancia química se puede seguir rastreando la radiactividad. Ejemplos:
Exploración de petróleo y gas : el registro nuclear de pozos se utiliza para ayudar a predecir la viabilidad comercial de pozos nuevos o existentes. La tecnología implica el uso de una fuente de neutrones o rayos gamma y un detector de radiación que se introducen en los pozos para determinar las propiedades de la roca circundante, como la porosidad y la litografía.[1]
Construcción de carreteras : los medidores de densidad y humedad nucleares se utilizan para determinar la densidad de suelos, asfalto y hormigón. Normalmente se utiliza una fuente de cesio-137.
En biología y agricultura , la radiación se utiliza para inducir mutaciones con el fin de producir especies nuevas o mejoradas, como en la jardinería atómica . Otro uso en el control de insectos es la técnica de los insectos estériles , en la que los insectos machos son esterilizados por radiación y liberados, de modo que no tengan descendencia, para reducir la población.
En aplicaciones industriales y alimentarias, la radiación se utiliza para esterilizar herramientas y equipos. Una ventaja es que el objeto puede sellarse en plástico antes de la esterilización. Un uso emergente en la producción de alimentos es la esterilización de alimentos mediante irradiación de alimentos .
La irradiación de alimentos [8] es el proceso de exposición de alimentos a radiación ionizante para destruir microorganismos , bacterias , virus o insectos que puedan estar presentes en los alimentos. Las fuentes de radiación utilizadas incluyen fuentes de rayos gamma de radioisótopos, generadores de rayos X y aceleradores de electrones. Otras aplicaciones incluyen inhibición de brotes, retraso de la maduración, aumento de la producción de jugo y mejora de la rehidratación. La irradiación es un término más general de exposición deliberada de materiales a la radiación para lograr un objetivo técnico (en este contexto se implica "radiación ionizante"). Como tal, también se utiliza en artículos no alimentarios, como hardware médico, plásticos, tubos para gasoductos, mangueras para calefacción por suelo radiante, láminas retráctiles para envases de alimentos , piezas de automóviles, alambres y cables (aislamiento), neumáticos e incluso piedras preciosas. En comparación con la cantidad de alimentos irradiados, el volumen de esas aplicaciones cotidianas es enorme, pero el consumidor no lo nota.
El efecto real del procesamiento de alimentos mediante radiación ionizante se relaciona con daños al ADN , la información genética básica para la vida. Los microorganismos ya no pueden proliferar y continuar con sus actividades malignas o patógenas. Los microorganismos que causan el deterioro no pueden continuar con sus actividades. Los insectos no sobreviven o se vuelven incapaces de procrear. Las plantas no pueden continuar con el proceso natural de maduración o envejecimiento. Todos estos efectos son beneficiosos para el consumidor y la industria alimentaria, igualmente. [8]
La cantidad de energía impartida para una irradiación efectiva de los alimentos es baja en comparación con la cocción de los mismos; incluso con una dosis típica de 10 kGy, la mayoría de los alimentos, que son (en términos de calentamiento) físicamente equivalentes al agua, se calentarían solo unos 2,5 °C (4,5 °F).
La particularidad del procesamiento de alimentos mediante radiación ionizante es que la densidad de energía por transición atómica es muy alta, lo que permite escindir moléculas e inducir la ionización (de ahí el nombre), algo que no se puede conseguir con el simple calentamiento. Esta es la razón de los nuevos efectos beneficiosos, pero también de las nuevas preocupaciones. El tratamiento de alimentos sólidos mediante radiación ionizante puede proporcionar un efecto similar a la pasteurización térmica de líquidos, como la leche. Sin embargo, el uso del término pasteurización en frío para describir alimentos irradiados es controvertido, porque la pasteurización y la irradiación son procesos fundamentalmente diferentes, aunque los resultados finales previstos pueden ser similares en algunos casos.
Los detractores de la irradiación de alimentos están preocupados por los riesgos para la salud que supone la radiactividad inducida . [ cita requerida ] Un informe para el grupo de defensa de la industria American Council on Science and Health titulado "Irradiated Foods" (Alimentos irradiados) afirma: "Los tipos de fuentes de radiación aprobados para el tratamiento de alimentos tienen niveles específicos de energía muy por debajo de los que harían que cualquier elemento de los alimentos se volviera radiactivo. Los alimentos sometidos a irradiación no se vuelven más radiactivos que el equipaje que pasa por un escáner de rayos X de un aeropuerto o los dientes que han sido radiografiados". [9]
Actualmente, la irradiación de alimentos está permitida en más de 40 países y se estima que los volúmenes superan las 500.000 toneladas métricas (490.000 toneladas largas; 550.000 toneladas cortas) anualmente en todo el mundo. [10] [11] [12]
La irradiación de alimentos es esencialmente una tecnología no nuclear; se basa en el uso de radiación ionizante que puede generarse mediante aceleradores de electrones y convertirse en radiación de frenado, pero que también puede utilizar rayos gamma procedentes de la desintegración nuclear. Existe una industria mundial de procesamiento mediante radiación ionizante, la mayoría en número y en potencia de procesamiento mediante aceleradores. La irradiación de alimentos es sólo una aplicación de nicho en comparación con los suministros médicos, los materiales plásticos, las materias primas, las piedras preciosas, los cables y alambres, etc.
Los accidentes nucleares, debido a las poderosas fuerzas involucradas, suelen ser muy peligrosos. Históricamente, los primeros incidentes implicaron una exposición fatal a la radiación . Marie Curie murió de anemia aplásica , que resultó de sus altos niveles de exposición. Dos científicos, un estadounidense y un canadiense respectivamente, Harry Daghlian y Louis Slotin , murieron después de manipular incorrectamente la misma masa de plutonio . A diferencia de las armas convencionales, la luz intensa, el calor y la fuerza explosiva no son los únicos componentes mortales de un arma nuclear. Aproximadamente la mitad de las muertes en Hiroshima y Nagasaki murieron entre dos y cinco años después por exposición a la radiación. [4] [5]
Los accidentes nucleares y radiológicos civiles afectan principalmente a las centrales nucleares. Los más comunes son las fugas nucleares que exponen a los trabajadores a materiales peligrosos. Una fusión nuclear se refiere al peligro más grave de liberar material nuclear al medio ambiente circundante. Las fusiones más importantes ocurrieron en Three Mile Island en Pensilvania y Chernobyl en la Ucrania soviética . El terremoto y tsunami del 11 de marzo de 2011 causó graves daños a tres reactores nucleares y un estanque de almacenamiento de combustible gastado en la planta de energía nuclear Fukushima Daiichi en Japón. Los reactores militares que experimentaron accidentes similares fueron Windscale en el Reino Unido y SL-1 en los Estados Unidos.
Los accidentes militares suelen implicar la pérdida o la detonación inesperada de armas nucleares. La prueba de Castle Bravo en 1954 produjo una cantidad mayor de lo esperado, que contaminó las islas cercanas, un barco pesquero japonés (con una víctima mortal) y generó preocupación por la contaminación de peces en Japón. Entre los años 1950 y 1970, se perdieron varias bombas nucleares desde submarinos y aviones, algunas de las cuales nunca se recuperaron. En los últimos veinte años [ ¿a fecha? ] se ha producido un marcado descenso de este tipo de accidentes.
Los defensores de la energía nuclear señalan que anualmente la electricidad generada por energía nuclear reduce 470 millones de toneladas métricas de emisiones de dióxido de carbono que de otro modo provendrían de combustibles fósiles. [13] Además, la cantidad comparativamente baja de desechos que genera la energía nuclear se elimina de manera segura en las instalaciones de producción de energía nuclear a gran escala o se reutiliza o recicla para otros usos energéticos. [14] Los defensores de la energía nuclear también llaman la atención sobre el costo de oportunidad de utilizar otras formas de electricidad. Por ejemplo, la Agencia de Protección Ambiental estima que el carbón mata a 30.000 personas al año, [15] como resultado de su impacto ambiental, mientras que 60 personas murieron en el desastre de Chernóbil. [16] Un ejemplo del mundo real del impacto proporcionado por los defensores de la energía nuclear es el aumento de 650.000 toneladas en las emisiones de carbono en los dos meses posteriores al cierre de la planta nuclear Vermont Yankee. [17]
