La transmutación nuclear es la conversión de un elemento químico o un isótopo en otro elemento químico. [1] La transmutación nuclear ocurre en cualquier proceso en el que se cambia el número de protones o neutrones en el núcleo de un átomo.
Una transmutación se puede lograr mediante reacciones nucleares (en las que una partícula externa reacciona con un núcleo) o mediante desintegración radiactiva , donde no se necesita ninguna causa externa.
La transmutación natural mediante nucleosíntesis estelar en el pasado creó la mayoría de los elementos químicos más pesados en el universo existente conocido, y continúa ocurriendo hasta el día de hoy, creando la gran mayoría de los elementos más comunes en el universo, incluidos el helio , el oxígeno y el carbono . La mayoría de las estrellas llevan a cabo transmutaciones mediante reacciones de fusión que involucran hidrógeno y helio, mientras que estrellas mucho más grandes también son capaces de fusionar elementos más pesados hasta formar hierro al final de su evolución.
Los elementos más pesados que el hierro, como el oro o el plomo , se crean mediante transmutaciones elementales que pueden ocurrir naturalmente en las supernovas . Ahora se sabe que un objetivo de la alquimia, la transmutación de sustancias básicas en oro, es imposible por medios químicos pero posible por medios físicos. A medida que las estrellas comienzan a fusionar elementos más pesados, se libera sustancialmente menos energía de cada reacción de fusión. Esto continúa hasta llegar al hierro, que se produce mediante una reacción endotérmica que consume energía. En tales condiciones no se puede producir ningún elemento más pesado.
Un tipo de transmutación natural observable en la actualidad ocurre cuando ciertos elementos radiactivos presentes en la naturaleza se desintegran espontáneamente mediante un proceso que causa la transmutación, como la desintegración alfa o beta . Un ejemplo es la descomposición natural del potasio-40 en argón-40 , que forma la mayor parte del argón en el aire. También en la Tierra se producen transmutaciones naturales de los diferentes mecanismos de reacciones nucleares naturales , debido al bombardeo de elementos con rayos cósmicos (por ejemplo, para formar carbono-14 ), y también ocasionalmente por bombardeo natural de neutrones (por ejemplo, ver reactor de fisión nuclear natural) . ).
La transmutación artificial puede ocurrir en maquinaria que tiene suficiente energía para provocar cambios en la estructura nuclear de los elementos. Estas máquinas incluyen aceleradores de partículas y reactores tokamak . Los reactores de potencia de fisión convencionales también provocan transmutación artificial, no a partir de la potencia de la máquina, sino al exponer elementos a neutrones producidos por fisión a partir de una reacción nuclear en cadena producida artificialmente . Por ejemplo, cuando un átomo de uranio es bombardeado con neutrones lentos, se produce la fisión. Esto libera, en promedio, tres neutrones y una gran cantidad de energía. Los neutrones liberados provocan la fisión de otros átomos de uranio, hasta que se agota todo el uranio disponible. Esto se llama reacción en cadena .
La transmutación nuclear artificial se ha considerado como un posible mecanismo para reducir el volumen y el peligro de los residuos radiactivos . [2]
El término transmutación se remonta a la alquimia . Los alquimistas perseguían la piedra filosofal , capaz de realizar crisopea : la transformación de metales comunes en oro. [3] Si bien los alquimistas a menudo entendían la crisopea como una metáfora de un proceso místico o religioso, algunos practicantes adoptaron una interpretación literal e intentaron hacer oro mediante experimentos físicos. La imposibilidad de la transmutación metálica había sido debatida entre alquimistas, filósofos y científicos desde la Edad Media. La transmutación pseudoalquímica fue prohibida [4] y objeto de burla pública a partir del siglo XIV. Alquimistas como Michael Maier y Heinrich Khunrath escribieron tratados exponiendo afirmaciones fraudulentas sobre la fabricación de oro. En la década de 1720, ya no había figuras respetables que se dedicaran a la transmutación física de sustancias en oro. [5] Antoine Lavoisier , en el siglo XVIII, reemplazó la teoría alquímica de los elementos con la teoría moderna de los elementos químicos, y John Dalton desarrolló aún más la noción de átomos (a partir de la teoría alquímica de los corpúsculos ) para explicar diversos procesos químicos. La desintegración de los átomos es un proceso distinto que implica energías mucho mayores que las que podrían lograr los alquimistas.
Frederick Soddy lo aplicó conscientemente por primera vez a la física moderna cuando él, junto con Ernest Rutherford en 1901, descubrió que el torio radiactivo se estaba convirtiendo en radio . En el momento en que se dio cuenta, Soddy recordó más tarde, gritó: "¡Rutherford, esto es transmutación!". Rutherford respondió bruscamente: "Por el amor de Dios, Soddy, no lo llames transmutación . Nos cortarán la cabeza como alquimistas". [6]
Rutherford y Soddy estaban observando la transmutación natural como parte de la desintegración radiactiva del tipo alfa . La primera transmutación artificial fue realizada en 1925 por Patrick Blackett , un investigador que trabajaba con Rutherford, con la transmutación de nitrógeno en oxígeno , utilizando partículas alfa dirigidas al nitrógeno 14 N + α → 17 O + p. [7] Rutherford había demostrado en 1919 que un protón (lo llamó átomo de hidrógeno) era emitido a partir de experimentos de bombardeo alfa, pero no tenía información sobre el núcleo residual. Los experimentos de Blackett de 1921-1924 proporcionaron la primera evidencia experimental de una reacción de transmutación nuclear artificial. Blackett identificó correctamente el proceso de integración subyacente y la identidad del núcleo residual. En 1932, los colegas de Rutherford, John Cockcroft y Ernest Walton , lograron una reacción nuclear y una transmutación nuclear totalmente artificiales , quienes utilizaron protones acelerados artificialmente contra el litio-7 para dividir el núcleo en dos partículas alfa. La hazaña se conoció popularmente como "división del átomo", aunque no se trataba de la moderna reacción de fisión nuclear descubierta en 1938 por Otto Hahn , Lise Meitner y su asistente Fritz Strassmann en elementos pesados. [8] En 1941, Rubby Sherr , Kenneth Bainbridge y Herbert Lawrence Anderson informaron sobre la transmutación nuclear del mercurio en oro . [9]
Más adelante, en el siglo XX, se elaboró la transmutación de elementos dentro de las estrellas, lo que explica la abundancia relativa de elementos más pesados en el universo. Salvo los cinco primeros elementos, que se produjeron en el Big Bang y otros procesos de los rayos cósmicos , la nucleosíntesis estelar explicó la abundancia de todos los elementos más pesados que el boro . En su artículo de 1957 Síntesis de los elementos en las estrellas , [10] William Alfred Fowler , Margaret Burbidge , Geoffrey Burbidge y Fred Hoyle explicaron cómo la abundancia de esencialmente todos los elementos químicos, excepto los más ligeros, podría explicarse mediante el proceso de nucleosíntesis en las estrellas.
La tradición alquímica buscaba convertir el "metal básico", el plomo, en oro. Como transmutación nuclear, se requiere mucha menos energía para convertir el oro en plomo; por ejemplo, esto ocurriría mediante la captura de neutrones y la desintegración beta si se dejara oro en un reactor nuclear durante un período de tiempo suficientemente largo. [ cita necesaria ] Glenn Seaborg logró producir una cantidad minúscula de oro a partir de bismuto, con una pérdida neta de energía. [11] [12]
Se cree que el Big Bang es el origen del hidrógeno (incluido todo el deuterio ) y el helio en el universo. El hidrógeno y el helio juntos representan el 98% de la masa de materia ordinaria del universo, mientras que el otro 2% constituye todo lo demás. El Big Bang también produjo pequeñas cantidades de litio , berilio y quizás boro . Posteriormente se produjeron más litio, berilio y boro, en una reacción nuclear natural, la espalación de rayos cósmicos .
La nucleosíntesis estelar es responsable de todos los demás elementos que se encuentran naturalmente en el universo como isótopos estables y nucleidos primordiales , desde el carbono hasta el uranio . Estos ocurrieron después del Big Bang, durante la formación estelar. Algunos elementos más ligeros, desde el carbono hasta el hierro, se formaron en estrellas y fueron liberados al espacio por estrellas asintóticas de rama gigante (AGB). Se trata de un tipo de gigante roja que "expele" su atmósfera exterior y contiene algunos elementos, desde carbono hasta níquel y hierro. Los nucleidos con un número de masa superior a 64 se producen predominantemente mediante procesos de captura de neutrones (el proceso s y el proceso r ) en explosiones de supernovas y fusiones de estrellas de neutrones .
Se cree que el Sistema Solar se condensó aproximadamente 4.600 millones de años antes del presente, a partir de una nube de hidrógeno y helio que contenía elementos más pesados en granos de polvo formados previamente por un gran número de estrellas de este tipo. Estos granos contenían los elementos más pesados formados por transmutación anteriormente en la historia del universo.
Todos estos procesos naturales de transmutación en las estrellas continúan hoy, en nuestra propia galaxia y en otras. Las estrellas fusionan hidrógeno y helio en elementos cada vez más pesados (hasta el hierro), produciendo energía. Por ejemplo, las curvas de luz observadas en estrellas supernova como SN 1987A las muestran lanzando grandes cantidades (comparables a la masa de la Tierra) de níquel y cobalto radiactivos al espacio. Sin embargo, poco de este material llega a la Tierra. La mayor parte de la transmutación natural en la Tierra hoy en día está mediada por rayos cósmicos (como la producción de carbono-14 ) y por la desintegración radiactiva de nucleidos primordiales radiactivos que quedaron de la formación inicial del Sistema Solar (como el potasio-40 , el uranio y el torio). ), más la desintegración radiactiva de los productos de estos nucleidos (radio, radón, polonio, etc.). Ver cadena de desintegración .
Transmutación de elementos transuránicos (es decir, actínidos menos actinio a uranio ), como los isótopos de plutonio (aproximadamente 1% en peso en el combustible nuclear usado de los reactores de agua ligera o los actínidos menores (MA, es decir, neptunio , americio y curio ), aproximadamente 0,1% en peso. % cada uno en el combustible nuclear usado de los reactores de agua ligera) tiene el potencial de ayudar a resolver algunos problemas planteados por la gestión de residuos radiactivos al reducir la proporción de isótopos de vida larga que contienen. (Esto no descarta la necesidad de un depósito geológico profundo para desechos radiactivos de alto nivel ). [ cita requerida ] Cuando se irradian con neutrones rápidos en un reactor nuclear , estos isótopos pueden sufrir fisión nuclear , destruyendo el isótopo actínido original y produciendo un espectro de productos de fisión radiactivos y no radiactivos .
Los objetivos cerámicos que contienen actínidos pueden bombardearse con neutrones para inducir reacciones de transmutación para eliminar las especies de larga vida más difíciles. Estos pueden consistir en soluciones sólidas que contienen actínidos como (Am,Zr)N , (Am,Y)N , (Zr,Cm)O 2 , (Zr,Cm,Am)O 2 , (Zr,Am,Y) O 2 o simplemente fases actínidas como AmO 2 , NpO 2 , NpN , AmN mezcladas con algunas fases inertes como MgO , MgAl 2 O 4 , (Zr,Y)O 2 , TiN y ZrN . La función de las fases inertes no radiactivas es principalmente proporcionar un comportamiento mecánico estable al objetivo bajo irradiación de neutrones. [13]
Sin embargo, existen problemas con esta estrategia P&T (partición y transmutación):
El nuevo estudio dirigido por Satoshi Chiba en Tokyo Tech (llamado "Método para reducir los productos de fisión de larga vida mediante transmutaciones nucleares con reactores de espectro rápido" [14] ) muestra que se puede lograr una transmutación efectiva de productos de fisión de larga vida en reactores de espectro rápido. sin necesidad de separación de isótopos. Esto se puede lograr agregando un moderador de deuteruro de itrio. [15]
Por ejemplo, el plutonio puede reprocesarse para obtener combustibles de óxidos mixtos y transmutarse en reactores estándar. Sin embargo, esto está limitado por la acumulación de plutonio-240 en el combustible MOX gastado, que no es particularmente fértil (la transmutación en plutonio-241 fisible ocurre, pero a tasas más bajas que la producción de más plutonio-240 a partir de la captura de neutrones por plutonio-239). ) ni fisible con neutrones térmicos. Incluso países como Francia , que practican ampliamente el reprocesamiento nuclear , normalmente no reutilizan el contenido de plutonio del combustible MOX usado. Los elementos más pesados podrían transmutarse en reactores rápidos , pero probablemente de forma más eficaz en un reactor subcrítico al que a veces se le conoce como amplificador de energía y que fue ideado por Carlo Rubbia . También se han propuesto fuentes de neutrones de fusión como adecuadas. [16] [17] [18]
Existen varios combustibles que pueden incorporar plutonio en su composición inicial al inicio de su ciclo y tener una menor cantidad de este elemento al final del ciclo. Durante el ciclo, el plutonio se puede quemar en un reactor de potencia, generando electricidad. Este proceso no sólo es interesante desde el punto de vista de la generación de energía, sino también debido a su capacidad de consumir el plutonio excedente apto para armas del programa de armas y el plutonio resultante del reprocesamiento del combustible nuclear usado.
El combustible de óxidos mixtos es uno de ellos. Su mezcla de óxidos de plutonio y uranio constituye una alternativa al combustible de uranio poco enriquecido utilizado predominantemente en los reactores de agua ligera. Dado que el uranio está presente en óxidos mixtos, aunque el plutonio se quemará, se producirá plutonio de segunda generación mediante la captura radiativa de uranio-238 y las dos desintegraciones beta menos posteriores.
Los combustibles con plutonio y torio también son una opción. En estos, los neutrones liberados en la fisión del plutonio son capturados por el torio-232 . Después de esta captura radiativa, el torio-232 se convierte en torio-233, que sufre dos desintegraciones beta menos que resultan en la producción del isótopo fisionable uranio-233 . La sección transversal de captura radiativa del torio-232 es más de tres veces mayor que la del uranio-238, lo que produce una mayor conversión en combustible fisionable que la del uranio-238. Debido a la ausencia de uranio en el combustible, no se produce plutonio de segunda generación y la cantidad de plutonio quemado será mayor que en los combustibles de óxidos mixtos. Sin embargo, el uranio-233, que es fisible, estará presente en el combustible nuclear usado. El plutonio apto para armas y para reactores se puede utilizar en combustibles de plutonio-torio, siendo el plutonio apto para armas el que muestra una mayor reducción en la cantidad de plutonio-239.
Algunos productos radiactivos de la fisión pueden convertirse en radioisótopos de vida más corta mediante transmutación. En Grenoble [19] se estudia la transmutación de todos los productos de fisión con una vida media superior a un año, con resultados variables.
El estroncio-90 y el cesio-137, con vidas medias de unos 30 años, son los mayores emisores de radiación (incluido calor) en el combustible nuclear usado en una escala de décadas a ~305 años (el estaño-121m es insignificante debido al bajo rendimiento). ), y no se transmutan fácilmente porque tienen secciones transversales de baja absorción de neutrones . En lugar de ello, simplemente deberían almacenarse hasta que se descompongan. Dado que este período de almacenamiento es necesario, los productos de fisión con vidas medias más cortas también pueden almacenarse hasta que se descompongan.
El siguiente producto de fisión de vida más larga es el samario-151 , que tiene una vida media de 90 años y es un absorbente de neutrones tan bueno que la mayor parte se transmuta mientras el combustible nuclear todavía se utiliza; sin embargo, transmutar efectivamente el resto151
El SM en los desechos nucleares requeriría su separación de otros isótopos de samario . Dadas las cantidades más pequeñas y su radiactividad de baja energía,151
Sm es menos peligroso que90
Sr y137
Cs y también se puede dejar que se descomponga durante ~970 años.
Finalmente, existen siete productos de fisión de larga duración . Tienen vidas medias mucho más largas, del orden de 211.000 años a 15,7 millones de años. Dos de ellos, el tecnecio-99 y el yodo-129 , son lo suficientemente móviles en el medio ambiente como para ser peligrosos potenciales, están libres ( el tecnecio no tiene isótopos estables conocidos) o en su mayoría están libres de mezclas con isótopos estables del mismo elemento, y tienen cruce de neutrones. Secciones que son pequeñas pero adecuadas para soportar la transmutación. Además,99
El Tc puede sustituir al uranio-238 proporcionando ampliación Doppler para retroalimentación negativa para la estabilidad del reactor. [20]
La mayoría de los estudios de los esquemas de transmutación propuestos han asumido99
tc ,129
I , y elementos transuránicos como objetivos de la transmutación, quedando como desechos otros productos de fisión, productos de activación y posiblemente uranio reprocesado . [21] El tecnecio-99 también se produce como producto de desecho en medicina nuclear a partir del tecnecio-99m , un isómero nuclear que se desintegra a su estado fundamental y ya no tiene uso. Debido a la descomposición producto de100
Tc (el resultado de99
Tc capturando un neutrón) desintegrándose con una vida media relativamente corta a un isótopo estable de rutenio , un metal precioso , también podría haber algún incentivo económico para la transmutación, si los costos pueden reducirse lo suficiente.
De los cinco productos de fisión de larga vida restantes, el selenio-79 , el estaño-126 y el paladio-107 se producen sólo en pequeñas cantidades (al menos en el neutrón térmico actual ).235Reactores de agua ligera que queman U ) y los dos últimos deberían ser relativamente inertes. Los otros dos, el circonio-93 y el cesio-135 , se producen en mayores cantidades, pero tampoco tienen una gran movilidad en el medio ambiente. También se mezclan con cantidades mayores de otros isótopos del mismo elemento. El circonio se utiliza como revestimiento en barras de combustible debido a que es prácticamente "transparente" a los neutrones, pero una pequeña cantidad de93
El Zr se produce mediante la absorción de neutrones del zircalloy normal sin muchos efectos nocivos. Si93
La posibilidad de reutilizar el Zr para nuevos materiales de revestimiento no ha sido objeto de muchos estudios hasta el momento.