La química nuclear es el subcampo de la química que se ocupa de la radiactividad , los procesos nucleares y las transformaciones en los núcleos de los átomos, como la transmutación nuclear y las propiedades nucleares.
Es la química de elementos radiactivos como los actínidos , el radio y el radón junto con la química asociada a los equipos (como los reactores nucleares ) que están diseñados para realizar procesos nucleares. Esto incluye la corrosión de las superficies y el comportamiento en condiciones de funcionamiento tanto normal como anormal (como durante un accidente ). Un área importante es el comportamiento de los objetos y materiales después de ser colocados en un sitio de almacenamiento o eliminación de desechos nucleares .
Incluye el estudio de los efectos químicos resultantes de la absorción de radiación en animales, plantas y otros materiales vivos. La química de la radiación controla gran parte de la biología de la radiación, ya que la radiación tiene un efecto sobre los seres vivos a escala molecular. Para explicarlo de otra manera, la radiación altera los productos bioquímicos dentro de un organismo, la alteración de las biomoléculas luego cambia la química que ocurre dentro del organismo; Este cambio en la química puede conducir a un resultado biológico. Como resultado, la química nuclear ayuda enormemente a la comprensión de los tratamientos médicos (como la radioterapia contra el cáncer ) y ha permitido mejorar estos tratamientos.
Incluye el estudio de la producción y uso de fuentes radiactivas para una variedad de procesos. Entre ellas se incluyen la radioterapia en aplicaciones médicas; el uso de trazadores radiactivos en la industria, la ciencia y el medio ambiente, y el uso de radiación para modificar materiales como los polímeros . [1]
También incluye el estudio y utilización de procesos nucleares en áreas no radiactivas de la actividad humana. Por ejemplo, la espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN) se usa comúnmente en química orgánica sintética y química física y para análisis estructurales en química macromolecular .
Después de que Wilhelm Röntgen descubriera los rayos X en 1895, muchos científicos comenzaron a trabajar en las radiaciones ionizantes. Uno de ellos fue Henri Becquerel , quien investigó la relación entre la fosforescencia y el ennegrecimiento de las placas fotográficas . Cuando Becquerel (trabajando en Francia) descubrió que, sin fuente externa de energía, el uranio generaba rayos que podían ennegrecer (o empañar ) la placa fotográfica, se descubrió la radiactividad. Marie Skłodowska-Curie (que trabaja en París) y su marido Pierre Curie aislaron dos nuevos elementos radiactivos del mineral de uranio. Utilizaron métodos radiométricos para identificar en qué corriente se encontraba la radiactividad después de cada separación química; separaron el mineral de uranio en cada uno de los diferentes elementos químicos que se conocían en ese momento y midieron la radiactividad de cada fracción. Luego intentaron separar aún más estas fracciones radiactivas, para aislar una fracción más pequeña con una actividad específica más alta (radiactividad dividida por masa). De esta forma aislaron el polonio y el radio . Alrededor de 1901 se observó que altas dosis de radiación podían causar lesiones en los seres humanos. Henri Becquerel llevaba una muestra de radio en el bolsillo y como consecuencia sufrió una dosis muy localizada que le provocó una quemadura por radiación . [2] Esta lesión dio lugar a que se investigaran las propiedades biológicas de la radiación, lo que con el tiempo dio lugar al desarrollo de un tratamiento médico.
Ernest Rutherford , trabajando en Canadá e Inglaterra, demostró que la desintegración radiactiva se puede describir mediante una ecuación simple (una ecuación derivada lineal de primer grado, ahora llamada cinética de primer orden ), lo que implica que una sustancia radiactiva determinada tiene una " vida media " característica ( el tiempo necesario para que la cantidad de radiactividad presente en una fuente disminuya a la mitad). También acuñó los términos rayos alfa , beta y gamma , convirtió el nitrógeno en oxígeno y, lo más importante, supervisó a los estudiantes que realizaron el experimento Geiger-Marsden (experimento de la lámina de oro) que demostró que el ' modelo de pudín de pasas ' del átomo era equivocado. En el modelo del pudín de ciruelas, propuesto por JJ Thomson en 1904, el átomo está compuesto de electrones rodeados por una "nube" de carga positiva para equilibrar la carga negativa de los electrones. Para Rutherford, el experimento de la lámina de oro implicaba que la carga positiva estaba confinada a un núcleo muy pequeño, lo que condujo primero al modelo de Rutherford y, finalmente, al modelo de Bohr del átomo, donde el núcleo positivo está rodeado por los electrones negativos.
En 1934, la hija de Marie Curie ( Irène Joliot-Curie ) y su yerno ( Frédéric Joliot-Curie ) fueron los primeros en crear radiactividad artificial : bombardearon boro con partículas alfa para producir el isótopo pobre en neutrones nitrógeno-13. ; este isótopo emitía positrones . [3] Además, bombardearon aluminio y magnesio con neutrones para producir nuevos radioisótopos.
A principios de la década de 1920, Otto Hahn creó una nueva línea de investigación. Utilizando el "método de emanación" que había desarrollado recientemente y la "capacidad de emanación", fundó lo que se conoció como "radioquímica aplicada" para la investigación de cuestiones químicas y físico-químicas generales. En 1936, Cornell University Press publicó un libro en inglés (y más tarde en ruso) titulado Applied Radiochemistry , que contenía las conferencias impartidas por Hahn cuando era profesor visitante en la Universidad de Cornell en Ithaca, Nueva York , en 1933. Esta importante publicación tuvo un Gran influencia en casi todos los químicos y físicos nucleares de los Estados Unidos, el Reino Unido, Francia y la Unión Soviética durante las décadas de 1930 y 1940, sentando las bases de la química nuclear moderna. [4] Hahn y Lise Meitner descubrieron isótopos radiactivos de radio , torio , protactinio y uranio . También descubrió los fenómenos del retroceso radiactivo y la isomería nuclear , y fue pionero en la datación con rubidio-estroncio . En 1938, Hahn, Lise Meitner y Fritz Strassmann descubrieron la fisión nuclear , por la que Hahn recibió el Premio Nobel de Química en 1944 . La fisión nuclear fue la base de los reactores nucleares y las armas nucleares . A Hahn se le conoce como el padre de la química nuclear [5] [6] [7] y padrino de la fisión nuclear . [8]
La radioquímica es la química de materiales radiactivos, en la que se utilizan isótopos radiactivos de elementos para estudiar las propiedades y reacciones químicas de isótopos no radiactivos (a menudo, dentro de la radioquímica, la ausencia de radiactividad lleva a que una sustancia se describa como inactiva ya que los isótopos son estables) . ).
Para obtener más detalles, consulte la página sobre radioquímica .
La química de las radiaciones es el estudio de los efectos químicos de la radiación sobre la materia; esto es muy diferente de la radioquímica, ya que no es necesario que haya radiactividad presente en el material que la radiación modifica químicamente. Un ejemplo es la conversión de agua en gas hidrógeno y peróxido de hidrógeno . Antes de la química de las radiaciones, se creía comúnmente que el agua pura no podía destruirse. [9]
Los experimentos iniciales se centraron en comprender los efectos de la radiación sobre la materia. Utilizando un generador de rayos X, Hugo Fricke estudió los efectos biológicos de la radiación cuando se convirtió en una opción de tratamiento y método de diagnóstico común. [9] Fricke propuso y posteriormente demostró que la energía de los rayos X era capaz de convertir el agua en agua activada, permitiéndole reaccionar con especies disueltas. [10]
La radioquímica, la química de las radiaciones y la ingeniería química nuclear desempeñan un papel muy importante en la síntesis de precursores de combustible de uranio y torio, a partir de minerales de estos elementos, la fabricación de combustible, la química de refrigerantes, el reprocesamiento de combustible, el tratamiento y almacenamiento de residuos radiactivos y el seguimiento de la liberación de elementos radiactivos durante el reactor. operación y almacenamiento geológico radiactivo, etc. [11]
Se utiliza una combinación de radioquímica y química de radiación para estudiar reacciones nucleares como la fisión y la fusión . Algunas de las primeras pruebas de la fisión nuclear fueron la formación de un radioisótopo de bario de vida corta que se aisló de uranio irradiado con neutrones ( 139 Ba, con una vida media de 83 minutos y 140 Ba, con una vida media de 12,8 días, son principales productos de fisión del uranio). En ese momento, se pensó que se trataba de un nuevo isótopo de radio, ya que entonces era una práctica radioquímica estándar utilizar un precipitado portador de sulfato de bario para ayudar en el aislamiento del radio. [12] Más recientemente, se ha utilizado una combinación de métodos radioquímicos y física nuclear para intentar crear nuevos elementos "superpesados"; se cree que existen islas de relativa estabilidad donde los nucleidos tienen vidas medias de años, lo que permite aislar cantidades considerables de los nuevos elementos. Para más detalles del descubrimiento original de la fisión nuclear ver el trabajo de Otto Hahn . [13]
Esta es la química asociada con cualquier parte del ciclo del combustible nuclear , incluido el reprocesamiento nuclear . El ciclo del combustible incluye todas las operaciones involucradas en la producción de combustible, desde la extracción, el procesamiento y enriquecimiento de minerales hasta la producción de combustible ( parte delantera del ciclo ). También incluye el comportamiento 'in-pile' (uso del combustible en un reactor) antes del final del ciclo. La parte final incluye la gestión del combustible nuclear usado, ya sea en una piscina de combustible gastado o en un almacenamiento en seco, antes de su eliminación en un almacén de residuos subterráneo o su reprocesamiento .
La química nuclear asociada con el ciclo del combustible nuclear se puede dividir en dos áreas principales: una se ocupa del funcionamiento en las condiciones previstas, mientras que la otra se ocupa de las condiciones de mal funcionamiento en las que se ha producido alguna alteración de las condiciones normales de funcionamiento o ( más raramente). ) está ocurriendo un accidente. Sin este proceso, nada de esto sería cierto.
En Estados Unidos, es normal utilizar el combustible una vez en un reactor de potencia antes de colocarlo en un depósito de residuos. Actualmente, el plan a largo plazo es almacenar el combustible usado de los reactores civiles en un almacén profundo. Esta política de no reprocesamiento se inició en marzo de 1977 debido a las preocupaciones sobre la proliferación de armas nucleares . El presidente Jimmy Carter emitió una directiva presidencial que suspendió indefinidamente el reprocesamiento comercial y el reciclaje de plutonio en los Estados Unidos. Esta directiva probablemente fue un intento de Estados Unidos de dar ejemplo a otros países, pero muchas otras naciones continúan reprocesando combustibles nucleares gastados. El gobierno ruso del presidente Vladimir Putin derogó una ley que prohibía la importación de combustible nuclear usado, lo que permite a los rusos ofrecer un servicio de reprocesamiento a clientes fuera de Rusia (similar al ofrecido por BNFL ).
El método de elección actual es utilizar el proceso de extracción líquido-líquido PUREX , que utiliza una mezcla de tributilfosfato / hidrocarburo para extraer uranio y plutonio del ácido nítrico . Esta extracción es de las sales de nitrato y se clasifica como de mecanismo de solvatación . Por ejemplo, la extracción de plutonio mediante un agente de extracción (S) en un medio de nitrato se produce mediante la siguiente reacción.
Se forma un enlace complejo entre el catión metálico, los nitratos y el tributilfosfato, y se ha caracterizado mediante cristalografía de rayos X un compuesto modelo de un complejo de dioxouranio (VI) con dos aniones nitrato y dos ligandos de trietilfosfato . [14]
Cuando la concentración de ácido nítrico es alta se favorece la extracción hacia la fase orgánica, y cuando la concentración de ácido nítrico es baja se invierte la extracción (se despoja del metal la fase orgánica). Es normal disolver el combustible usado en ácido nítrico, tras la eliminación de la materia insoluble se extrae el uranio y el plutonio del licor altamente activo. Luego, es normal volver a extraer la fase orgánica cargada para crear un licor de actividad media que contiene principalmente uranio y plutonio con sólo pequeños rastros de productos de fisión. Esta mezcla acuosa medianamente activa luego se extrae nuevamente con fosfato de tributilo/hidrocarburo para formar una nueva fase orgánica, luego la fase orgánica que contiene metal se despoja de los metales para formar una mezcla acuosa de solo uranio y plutonio. Las dos etapas de extracción se utilizan para mejorar la pureza del producto actínido ; la fase orgánica utilizada para la primera extracción sufrirá una dosis de radiación mucho mayor. La radiación puede degradar el tributilfosfato en hidrogenofosfato de dibutilo. El hidrogenofosfato de dibutilo puede actuar como agente de extracción tanto para los actínidos como para otros metales como el rutenio . El hidrogenofosfato de dibutilo puede hacer que el sistema se comporte de una manera más compleja ya que tiende a extraer metales mediante un mecanismo de intercambio iónico (extracción favorecida por una baja concentración de ácido), para reducir el efecto del hidrogenofosfato de dibutilo es común utilizar el orgánico. fase que se lavará con solución de carbonato de sodio para eliminar los productos de degradación ácida del tributil fosfatioloporus.
El proceso PUREX se puede modificar para crear un proceso UREX ( tracción UR anium EX ) que podría usarse para ahorrar espacio dentro de los sitios de eliminación de desechos nucleares de alto nivel , como el depósito de desechos nucleares de Yucca Mountain , eliminando el uranio que constituye la gran mayoría. de la masa y el volumen del combustible usado y reciclarlo como uranio reprocesado .
El proceso UREX es un proceso PUREX que ha sido modificado para evitar que se extraiga el plutonio. Esto se puede hacer agregando un reductor de plutonio antes del primer paso de extracción del metal. En el proceso UREX, ~99,9% del uranio y >95% del tecnecio se separan entre sí y de los demás productos de fisión y actínidos. La clave es la adición de ácido acetohidroxámico (AHA) a las secciones de extracción y lavado del proceso. La adición de AHA disminuye en gran medida la extractabilidad del plutonio y neptunio , proporcionando una mayor resistencia a la proliferación que con la etapa de extracción de plutonio del proceso PUREX.
Al agregar un segundo agente de extracción, óxido de octil(fenil)-N , N - dibutilcarbamoilmetilfosfina (CMPO) en combinación con tributilfosfato (TBP), el proceso PUREX se puede convertir en el proceso TRUEX ( tracción TR y EX uránica ) . es un proceso inventado en los EE. UU. por el Laboratorio Nacional Argonne y está diseñado para eliminar los metales transuránicos (Am/Cm) de los desechos. La idea es que al reducir la actividad alfa de los residuos, la mayoría de ellos podrán eliminarse con mayor facilidad. Al igual que PUREX, este proceso opera mediante un mecanismo de solvatación.
Como alternativa a TRUEX, se ha ideado un proceso de extracción que utiliza malondiamida. El proceso DIAMEX ( DIAM ide EX tracción) tiene la ventaja de evitar la formación de residuos orgánicos que contienen elementos distintos al carbono , hidrógeno , nitrógeno y oxígeno . Estos residuos orgánicos pueden quemarse sin que se formen gases ácidos que podrían contribuir a la lluvia ácida . La CEA francesa está trabajando en el proceso DIAMEX en Europa . El proceso está lo suficientemente maduro como para que se pueda construir una planta industrial con el conocimiento existente del proceso. Al igual que PUREX, este proceso opera mediante un mecanismo de solvatación. [15] [16]
Extracción selectiva de actínidos (SANEX). Como parte del manejo de actínidos menores, se ha propuesto que los lantánidos y los actínidos menores trivalentes se eliminen del refinado PUREX mediante un proceso tal como DIAMEX o TRUEX. Para permitir que actínidos como el americio se reutilicen en fuentes industriales o se utilicen como combustible, se deben eliminar los lantánidos . Los lantánidos tienen grandes secciones transversales de neutrones y, por tanto, envenenarían una reacción nuclear impulsada por neutrones. Hasta la fecha no se ha definido el sistema de extracción para el proceso SANEX, pero actualmente varios grupos de investigación diferentes están trabajando en un proceso. Por ejemplo, la CEA francesa está trabajando en un proceso basado en bis-triazinilpiridina (BTP).
Otros trabajadores están trabajando en otros sistemas, como los ácidos ditiofosfínicos.
Este es el proceso de tracción UNiversal EX que se desarrolló en Rusia y la República Checa, es un proceso diseñado para eliminar todos los radioisótopos más problemáticos (Sr, Cs y actínidos menores ) de los refinados que quedan después de la extracción de uranio y plutonio de combustible nuclear usado . [17] [18] La química se basa en la interacción del cesio y el estroncio con polióxido de etileno ( polietilenglicol ) y un anión cobalto carborano (conocido como dicarbollida de cobalto clorado). [19] Los actínidos se extraen mediante CMPO y el diluyente es un aromático polar como el nitrobenceno . También se han sugerido otros diluyentes como el metanitrobenzotrifluoruro y la feniltrifluorometilsulfona . [20]
Otra área importante de la química nuclear es el estudio de cómo interactúan los productos de fisión con las superficies; Se cree que esto controla la tasa de liberación y migración de productos de fisión tanto de contenedores de desechos en condiciones normales como de reactores de potencia en condiciones de accidente. Al igual que el cromato y el molibdato , el anión 99 TcO 4 puede reaccionar con las superficies de acero para formar una capa resistente a la corrosión . De esta forma, estos aniones metaloxo actúan como inhibidores de la corrosión anódica . La formación de 99 TcO 2 en las superficies de acero es un efecto que retrasará la liberación de 99 Tc de los bidones de residuos nucleares y de los equipos nucleares que se han perdido antes de la descontaminación (por ejemplo, reactores submarinos perdidos en el mar). Esta capa de 99 TcO 2 vuelve pasiva la superficie del acero, inhibiendo la reacción de corrosión anódica . La naturaleza radiactiva del tecnecio hace que esta protección contra la corrosión no sea práctica en casi todas las situaciones. También se ha demostrado que 99 aniones TcO 4 reaccionan para formar una capa en la superficie del carbón activado ( carbón vegetal ) o aluminio . [21] [22] Se puede leer en línea una breve reseña de las propiedades bioquímicas de una serie de radioisótopos clave de vida larga. [23]
El 99 Tc en los desechos nucleares puede existir en formas químicas distintas al anión 99 TcO 4 ; estas otras formas tienen propiedades químicas diferentes. [24] De manera similar, la liberación de yodo-131 en un accidente grave en un reactor de potencia podría retardarse por la absorción en las superficies metálicas dentro de la planta nuclear. [25] [26] [27] [28] [29]
A pesar del creciente uso de la medicina nuclear, la posible expansión de las centrales nucleares y las preocupaciones sobre la protección contra las amenazas nucleares y la gestión de los residuos nucleares generados en las últimas décadas, el número de estudiantes que optan por especializarse en nuclear y radioquímica ha disminuido significativamente en los últimos decenios. las últimas décadas. Ahora que muchos expertos en estos campos se acercan a la edad de jubilación, es necesario tomar medidas para evitar una brecha en la fuerza laboral en estos campos críticos, por ejemplo, fomentando el interés de los estudiantes en estas carreras, ampliando la capacidad educativa de las universidades y colegios y brindando capacitación más específica. capacitación en el puesto de trabajo. [30]
La radioquímica nuclear (NRC) se imparte principalmente a nivel universitario, normalmente primero a nivel de maestría y doctorado. En Europa, se están realizando esfuerzos sustanciales para armonizar y preparar la educación de la NRC para las necesidades futuras de la industria y la sociedad. Este esfuerzo se coordina en un proyecto financiado por la Acción Coordinada respaldada por el Séptimo Programa Marco de la Comunidad Europea de la Energía Atómica. [31] [32] Aunque NucWik está dirigido principalmente a profesores, cualquier persona interesada en la radioquímica nuclear y la radioquímica es bienvenida y puede encontrar mucha información y material que explique temas relacionados con la NRC.
Algunos métodos desarrollados inicialmente en la química y la física nucleares se han utilizado tan ampliamente en la química y otras ciencias físicas que es mejor considerarlos separados de la química nuclear normal . Por ejemplo, el efecto isotópico se utiliza tan ampliamente para investigar mecanismos químicos y el uso de isótopos cosmogénicos e isótopos inestables de larga vida en geología que es mejor considerar gran parte de la química isotópica como algo separado de la química nuclear.
Los mecanismos de las reacciones químicas se pueden investigar observando cómo se cambia la cinética de una reacción al realizar una modificación isotópica de un sustrato, conocida como efecto isotópico cinético . Este es ahora un método estándar en química orgánica . Brevemente, reemplazar el hidrógeno normal ( protones ) por deuterio dentro de una molécula hace que la frecuencia de vibración molecular de los enlaces XH (por ejemplo CH, NH y OH) disminuya, lo que conduce a una disminución de la energía vibratoria del punto cero . Esto puede conducir a una disminución en la velocidad de reacción si el paso que determina la velocidad implica romper un enlace entre el hidrógeno y otro átomo. [33] Por lo tanto, si la reacción cambia de velocidad cuando los protones son reemplazados por deuterio, es razonable suponer que la ruptura del enlace con el hidrógeno es parte del paso que determina la velocidad.
Los isótopos cosmogénicos se forman por la interacción de los rayos cósmicos con el núcleo de un átomo. Estos pueden usarse con fines de datación y como trazadores naturales. Además, midiendo cuidadosamente algunas proporciones de isótopos estables es posible obtener nuevos conocimientos sobre el origen de las balas, la edad de las muestras de hielo, la edad de las rocas y la dieta de una persona a partir de una muestra de cabello u otro tejido. . (Ver Geoquímica isotópica y Firma isotópica para más detalles).
Dentro de los seres vivos, las etiquetas isotópicas (tanto radiactivas como no radiactivas) pueden usarse para investigar cómo la compleja red de reacciones que constituye el metabolismo de un organismo convierte una sustancia en otra. Por ejemplo, una planta verde utiliza energía luminosa para convertir agua y dióxido de carbono en glucosa mediante la fotosíntesis . Si el oxígeno del agua está etiquetado, entonces la etiqueta aparece en el gas oxígeno formado por la planta y no en la glucosa formada en los cloroplastos dentro de las células vegetales.
Para experimentos bioquímicos y fisiológicos y métodos médicos, varios isótopos específicos tienen aplicaciones importantes.
Mediante síntesis orgánica es posible crear una molécula compleja con una etiqueta radiactiva que puede limitarse a un área pequeña de la molécula. Para isótopos de vida corta como el 11 C, se han desarrollado métodos de síntesis muy rápidos que permiten la rápida adición del isótopo radiactivo a la molécula. Por ejemplo, se ha utilizado una reacción de carbonilación catalizada por paladio en un dispositivo de microfluidos para formar rápidamente amidas [34] y podría ser posible utilizar este método para formar agentes de formación de imágenes radiactivos para imágenes por PET . [35]
La espectroscopia nuclear son métodos que utilizan el núcleo para obtener información de la estructura local de la materia. Los métodos importantes son la RMN (ver más abajo), la espectroscopia de Mössbauer y la correlación angular perturbada . Estos métodos utilizan la interacción del campo hiperfino con el espín del núcleo. El campo puede ser magnético o eléctrico y es creado por los electrones del átomo y sus vecinos circundantes. Así, estos métodos investigan la estructura local de la materia, principalmente la materia condensada en física de la materia condensada y química del estado sólido .
La espectroscopia de RMN utiliza el giro neto de los núcleos de una sustancia tras la absorción de energía para identificar moléculas. Esto se ha convertido ahora en una herramienta espectroscópica estándar dentro de la química sintética . Un uso importante de la RMN es determinar la conectividad de los enlaces dentro de una molécula orgánica.
Las imágenes de RMN también utilizan el espín neto de los núcleos (comúnmente protones) para obtener imágenes. Se utiliza ampliamente con fines de diagnóstico en medicina y puede proporcionar imágenes detalladas del interior de una persona sin aplicarle radiación. En el ámbito médico, la RMN a menudo se conoce simplemente como imágenes de "resonancia magnética", ya que la palabra "nuclear" tiene connotaciones negativas para muchas personas.
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