Tecnología nuclear
La tecnología nuclear es la
tecnología que está relacionada con las reacciones de núcleos atómicos de
ciertos elementos. Las tecnologías nucleares más destacadas son: la energía
nuclear, la medicina nuclear y las armas nucleares. Se han desarrollado
aplicaciones desde detectores de humo hasta reactores nucleares, y desde miras
de armas a bombas nucleares.
Historia y contexto científico
Descubrimiento
La vasta mayoría de los fenómenos naturales más comunes de la Tierra
ocurren en el contexto de la gravedad y del electromagnetismo y no de las
reacciones nucleares. Esto se debe a que los átomos de los núcleos 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 sales de uranio cuando él descubrió un nuevo fenómeno al que
denominó radioactividad.1 Él, Pierre Curie y Marie Curie comenzaron a
investigar el fenómeno. En el proceso, ellos aislaron el elemento radio, que es
altamente radioactivo. Ellos descubrieron que los materiales radioactivos
producen intensos y penetrantes rayos de tres distintas clases, a los cuales
denominaron alfa, beta y gama por las tres primeras letras del alfabeto griego.
Algunos de estos podían pasar a través de la materia ordinaria y todos ellos
podían ser dañinos para la salud en grandes cantidades. Todos los primeros
investigadores recibieron quemaduras por radiación, parecidas a las causadas
por quemaduras solares y no se preocupaban mucho al respecto.
El nuevo fenómeno de la radioactividad fue tomado por los
fabricantes de medicinas falsas (como antes lo habían hecho también con la
electricidad y el magnetismo) y se crearon una gran cantidad de medicinas
falsas y tratamientos que usaban la radioactividad.
Gradualmente, se dieron cuenta que la radiación producida por
el decaimiento radioactivo era radiación por ionización y que incluso
cantidades demasiado pequeñas para causar quemaduras tenían severa peligrosidad
a largo plazo. Muchos de los científicos que trabajaron con radioactividad
murieron de cáncer como un resultado de su exposición a esta. Los primeros tratamientos
y medicinas que usaban radioactividad desaparecieron pero otras aplicaciones de
los materiales radioactivos persistieron, tales como el uso de sales de radio
para producir diales auto iluminados en relojes y otros instrumentos.
A la medida que el átomo se comprendía mejor, la naturaleza
de la radioactividad se conoció más claramente. Algunos grandes núcleos
atómicos eran inestables y por lo tanto también su tasa de decaimiento
(liberación de materia o energía) a intervalos aleatorios. Las tres formas de
radiación que Becquerel y los Curíes descubrieron se comprendió de mejor
manera. La desintegración o decaimiento Alfa es cuando un núcleo libera una
partícula alfa, que es cuando dos protones y dos neutrones, equivalente 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 las radiaciones alfa y beta no es materia sino que es radiación
electromagnética de muy alta frecuencia, y por lo tanto energía. Este tipo de
radiación es la más peligrosa y es la más difícil de bloquear. Estos tres tipos
de radiación ocurren naturalmente en algunos elementos específicos.
Se ha llegado a la conclusión que la fuente original de la
mayor parte de la energía de origen terrestre es nuclear, ya sea a través de la
radiación del Sol que es causada por reacciones termonucleares estelares o por
el decaimiento radioactivo del uranio dentro de la Tierra, la principal fuente
de la energía geotermal.
Fisión
En la radiación nuclear natural, los subproductos son muy pequeños
cuando se comparan a los núcleos de los cuales se originan. La fisión nuclear
es el proceso de dividir un núcleo en dos partes aproximadamente similares,
proceso que libera energía y neutrones. Si estos neutrones son capturados por
otro núcleo inestable, estos también pueden fisionarse, lo que puede llevar a
una reacción en cadena. La cantidad promedio de neutrones liberados por núcleos
que influyen en la fisión de otro núcleo se llama k. Los valores de k más
grandes que 1 significan que la reacción de fisión está liberando más neutrones
de los que absorbe, y por lo tanto se le llama como una reacción en cadena auto
sostenible. Una masa de material fisible lo suficientemente grande (y en una
configuración adecuada) para inducir una reacción en cadena auto sostenible es
llamada una masa crítica.
Cuando un neutrón es capturado por un núcleo adecuado, la
fisión puede ocurrir de inmediato, o el núcleo puede persistir en un estado
inestable por un corto tiempo. Si existen los suficientes decaimientos
inmediatos para soporta la cadena en reacción, se dice sobre esa masa que es
inmediatamente crítica, y la energía liberada crecerá rápida e
incontrolablemente, lo que usualmente lleva a una explosión.Cuando se descubrió
al principio de la Segunda Guerra Mundial, esta idea llevó a varios países a
comenzar programas que investigaran la posibilidad de construir una bomba
atómica — un arma que utilizara las reacciones de fisión para generar lejos
mucho más energía de lo que era posible lograr con explosivos químicos. El
Proyecto Manhattan, llevado a cabo por Estados Unidos con la ayuda del Reino
Unido y de Canadá, desarrolló varias armas de fisión que fueron usadas contra
Japón en 1945. Durante el proyecto, también se desarrollaron los primeros
reactores de fisión, aunque ellos fueron usados principalmente para la
fabricación de armas y no para generar electricidad.
Sin embargo, si la masa es crítica sólo cuando los neutrones
retrasados están incluidos, la reacción puede ser controlada, por ejemplo
mediante la introducción o remoción de materiales que absorben los neutrones.
Esto es lo que permite que se puedan construir reactores nucleares. Los
neutrones rápidos no son capturadas fácilmente por el núcleo, así su velocidad
debe ser disminuida (neutrones lentos), generalmente mediante la colisión con
el núcleo de un moderador de neutrones, antes de que puedan ser capturados con
mayor facilidad. Actualmente, este tipo de fisión es comúnmente usada para
generar electricidad.
Fusión
Si los núcleos son forzados a colisionar, ellos pueden producir lo que se
conoce como 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 derivan
su energía del hidrógeno y del helio. Ellos forman, a través de la
nucleosíntesis estelar, elementos ligeros (litio a calcio) así como algunos de
los elementos más pesados (más allá del hierro y el níquel, a través del
proceso-S). Los restantes elementos pesados, del níquel al uranio y más allá,
es debido a la nucleosíntesis de supernovas, el proceso-R.
Por supuesto, estos procesos naturales de astrofísica no son
ejemplos de la "tecnología" nuclear. Debido a la muy fuerte repulsión
de los núcleos, la fusión es difícil de lograr de una forma controlada. La
bomba de hidrógeno obtiene su enorme poder destructivo de la fusión, pero su
energía no puede ser controlada. La fusión controlada es lograda en
aceleradores de partículas; es de esta forma como se producen muchos elementos
sintéticos. Un fusor también puede producir fusión controlada y es una útil
fuente de neutrones. Sin embargo, ambos dispositivos funcionan con una pérdida
neta de energía. Una fuente de energía de fusión controlable, viable ha probado
ser elusiva, a pesar del ocasional engaño de la fusión fría. Las dificultades
técnicas y teóricas han estorbado el desarrollo de tecnología de fusión de uso
civil que funcione, aunque la investigación continúa actualmente en muchas
partes en el mundo.
Inicialmente la fusión nuclear fue investigada sólo
teoréticamente durante la Segunda Guerra Mundial, cuando los científicos del
Proyecto Manhattan (liderados por Edward Taller) la investigaron como un método
para construir una bomba. El proyecto fue abandonado después de concluir que se
requeriría de una reacción de fisión para detonarla. Recién en el año 1952 la
primera bomba de hidrógeno pudo ser detonada, llamada así debido a que usa las
reacciones entre el deuterio y el tritio. Las reacciones de fusión son mucho
más energéticas por unidad de masa de combustible nuclear que las reacciones de
fisión, pero comenzar una reacción en cadena de fusión es mucho más difícil.
Armas nucleares
Un arma nuclear es un dispositivo explosivo que deriva su fuerza
destructiva de las reacciones nucleares, ya sea por fisión o una combinación de
fisión y fusión. Ambos tipos de reacciones liberan enormes cantidades de
energía a partir de relativamente pequeñas cantidades de materia. Incluso
dispositivos nucleares pequeños pueden devastar a una ciudad por la onda de
choque, fuego y radiación. Las armas nucleares son consideradas como armas de
destrucción masiva y su uso y control han sido un aspecto principal de la
política internacional desde su debut.
El diseño de armas nucleares es más complicado de lo que
parece ser. Un arma de este tipo debe contener una o más masas fisibles suscriticas
lo suficientemente estables para ser desplegadas, para luego inducir o crear
una masa crítica para poder detonarla. También es muy difícil asegurar que la
reacción en cadena consuma una fracción significativa del combustible antes de
que el dispositivo vuele en pedazos. La obtención de un combustible nuclear
también es más difícil de lo que parece ser, ya que ninguna substancia de
ocurrencia natural es lo suficientemente inestable para que este proceso
ocurra.
Un isótopo de uranio, el uranio-235, ocurre naturalmente y es
lo suficientemente inestable, pero siempre se encuentra mezclado con el isótopo
más estable uranio-238. Este último compone más del 99% del peso del uranio
natural. A continuación métodos de separación de isótopos basados en el peso de
tres neutrones se deben realizar para enriquecer (aislar) el uranio-235.
De forma alternativa, el plutonio posee un isotopo que lo
suficientemente inestable para ser utilizable. El plutonio no ocurre
naturalmente, así que debe ser fabricado en un reactor nuclear.
Eventualmente, el Proyecto Manhattan fabricó armas nucleares
basadas en cada uno de estos elementos. Ellos detonaron la primera arma nuclear
en una prueba denominada "Trinity", cerca de Alamogordo, New México,
el 16 de julio de 1945. La prueba fue realizada para asegurarse que el método
de implosión funcionaría para detonar una bomba atómica. Una bomba de uranio,
la Little Boy (en castellano: Niñito), fue lanzada sobre la ciudad japonesa de
Hiroshima el 6 de agosto de 1945, seguida tres días más tarde por una basada en
plutonio denominada Fat Man (en castellano: Gordo) lanzada sobre Nagasaki. Como
resultado de la devastación y muertes sin precedente provocados por una sola
bomba, el gobierno japonés se rindió, terminando con la Segunda Guerra Mundial.
Desde estos bombardeos ningún arma nuclear ha sido desplegada
ofensivamente. Sin embargo, ellas provocaron que una carrera de armas se
desarrollara para crear bombas cada vez más destructivas como una forma de
disuasión nuclear. Apenas cuatro años más tarde, el 29 de agosto de 1949, la
Unión Soviética detonó su primera arma de fisión. El Reino Unido la siguió el 2
de octubre de 1952, Francia el 13 de febrero de 1960 y China el 16 de octubre
de 1964. Estos cinco países le es permitido poseer armas nucleares bajo el
Tratado de No Proliferación Nuclear. Sólo cuatro estados soberanos reconocidos
no son parte del tratado: India, Israel, Pakistán y Corea del Norte. India,
Pakistán y Corea del Norte han probado abiertamente y declarado que poseen
armas nucleares. Israel ha mantenido una política de ambigüedad respecto a su
propio programa de armas nucleares. Corea del Norte accedió al tratado, lo
violó y se retiró en el año 2003.
A diferencia de las armas convencionales, le intensa luz,
calor y fuerza explosiva no son los únicos componentes mortales de un arma
nuclear. Aproximadamente la mitad de las muertes de Hiroshima y Nagasaki fueron
causadas entre dos a cinco años más tarde debido a la exposición a la
radiación.2 3 Un arma radiológica es un tipo de arma nuclear diseñada para
dispersar material nuclear peligroso en territorio enemigo. Tal arma no tendría
la capacidad explosiva de una bomba de fisión o de fusión, pero podría matar
muchas personas y contaminar una gran área. Un arma radiológica nunca ha sido
desplegada. Mientras es considerada sin utilidad desde el punto de vista
militar convencional, un arma de este tipo puede ser usada con fines de
terrorismo nuclear.
Se han llevado a cabo sobre 2.000 pruebas nucleares desde
1945. En 1963, todos los estados nucleares y muchos no nucleares firmaron el
Tratado de prohibición parcial de ensayos nucleares, obligándose a restringirse
de realizar pruebas de armas nucleares en la atmósfera, bajo el agua o en el
espacio exterior. El tratado permite la realización de pruebas nucleares
subterráneas. Francia continuó con pruebas atmosféricas hasta 1974, mientras
China continuó hasta 1980. La última prueba nuclear realizada por Estados
Unidos fue en 1992, la Unión Soviética lo hizo en 1990, el Reino Unido en 1991,
tanto Francia como China continuaron las pruebas hasta 1996. Después de firmar
el Tratado de Prohibición Completa de los Ensayos Nucleares en 1996 (que al año
2011 no ha entrado en fuerza), todos estos estados se han obligado a terminar
con todas las pruebas nucleares. Los estados no signatarios de India y Pakistán
hicieron sus últimas pruebas en el año 1988.
Las armas nucleares son las armas conocidas más destructivas
- el arquetipo de las armas de destrucción masiva. A través de la Guerra Fría,
las potencias opuestas tenían enormes arsenales nucleares, suficiente para
matar centenares de millones de personas. Generaciones de personas crecieron
bajo la sombra de la devastación nuclear, ejemplificado en películas tales como
Dr. Strangelove y The Atomic Cafe.
Sin embargo, la liberación de las enormes cantidades de
energía implicadas en la detonación de un arma nuclear también sugirió la
posibilidad de una nueva fuente de energía.
Usos civiles
Energía nuclear
La energía nuclear es un tipo de tecnología nuclear que tiene
que ver con el uso controlado de la fisión nuclear para liberar energía para su
uso pacífico, y que incluyen propulsión, calor y generación de electricidad. La
energía nuclear es producida por una reacción en cadena controlada que crea
calor como subproducto la que es usada para hervir agua, producir vapor y
propulsar una turbina de vapor. La turbina es usada para generar electricidad
y/o realizar trabajo mecánico.
En el año 2004 la energía nuclear proporciona aproximadamente
el 15,7% de la electricidad mundial y es usada para propulsar portaviones,
rompehielos y submarinos (hasta el momento el costo y el temor en algunos
puertos ha prevenido el uso de la energía nuclear en buques de transporte).4
Todas las plantas de energía nuclear usan la fisión. A pesar de años de
esfuerzos y el ocasional engaño (por ejemplo, la fusión fría), ninguna reacción
de fusión hecha por el hombre ha producido más energía que la usada en su
realización, lo que significa que aún no es una fuente viable para la generación
de electricidad.
Aplicaciones médicas
Las aplicaciones médicas de la tecnología nuclear están
divididas en diagnósticos y tratamientos por radiación.
Imágenes - las imágenes de rayos-X médico y dental usan
cobalto-60 u otras fuentes de rayos-X. El tecnecio-99m es usado, agregado a
moléculas orgánicas, como un trazador radioactivo en el cuerpo humano, antes de
ser excretado por los riñones. Positrones que emiten nucleótidos son usados
para la generación de imágenes de alta resolución, y corta vida en aplicaciones
conocida como tomografía por emisión de positrones.
La terapia de radiación es un efectivo tratamiento para el
cáncer.
Aplicaciones industriales
Exploración petrolera y de gas- El registro de pozos nuclear
es usada para ayudar a predecir la viabilidad comercial de pozos nuevos o
existentes. La tecnología implica el uso de una fuente de rayos gama o de
neutrones y un detector de radiación que son bajados en el agujero de
perforación para determinar las propiedades de la roca que lo rodea, tales como
porosidad y litografía.
Construcción de caminos - Medidores nucleares de
humedad/densidad son usados para determinar la densidad de los suelos, asfaltos
y concretos. Normalmente se usa una fuente de cesio-137
Aplicaciones comerciales
Un detector de humo por ionización incluye una pequeñísima
masa de americio-241 radioactivo, que es una fuente de radiación alfa. El
tritio es usado con fósforo en miras de armas para aumentar su precisión en
condiciones de poca visibilidad. Los letreros de salida auto iluminados usan la
misma tecnología.
Procesamiento de comida y agricultura
La irradiación de la comida6 es el proceso por el cual la
comida se expone a radiación ionizante con el propósito de destruir
microrganismos, bacterias, virus o insectos que podrían estar presentes en la
comida. Las fuentes de radiación usadas incluyen radioisótopos productores de
rayos gama, generadores de rayos-X y aceleradores de neutrones. Otras
aplicaciones incluyen la inhibición de brotes, el retraso de la maduración, el
incremento de la producción de jugo y el mejoramiento de la rehidratación. La
irradiación es un término más general donde la exposición deliberada de
materiales a la radiación para lograr una meta técnica (en este contexto se presumen
'radiación por ionización'). Como tal también es usada en artículo no
alimenticio, tales como instrumental médico, plásticos, tubos para gasoductos,
mangueras para calefacción de pisos, materiales para embalaje de comida,
repuestos para automóviles, alambres y cables (aislamiento eléctrico),
neumáticos, e incluso piedras preciosas. Comparada a la cantidad de comida
irradiada, el volumen de aplicaciones cotidianas es enorme pero es algo que no
es notado normalmente por las personas.
El genuino efecto de procesar la comida por radiación
ionizante se relaciona con el daño al ADN, la información genética básica para
la vida. Los microrganismos no pueden proliferar y continuar sus actividades.
La podredumbre causada por los microrganismos cesa. Los insectos no sobreviven
o son incapaces de reproducirse. Las plantas no pueden continuar su ciclo
natural de maduración o envejecimiento. Todos estos efectos son beneficiosos
para el consumidor y la industria alimentaria.6
La cantidad de energía impartida para lograr una irradiación
de comida efectiva es baja cuando se compara a la necesaria para cocinar y
lograr el mismo efecto, incluso a una dosis típica de 10 kg y la mayor parte de
la comida, que es (con respecto al propósito de calentamiento) equivalente al
agua, se calentaría sólo en aproximadamente 2,5 °C (4,5 °F).
Lo especial del procesamiento de la comida por radiación
ionizante es el hecho, de que la densidad de la energía por transición atómica
es muy alta, puede romper las moléculas e inducir ionización (de ahí el nombre)
lo que no puede ser logrado solo calentándola. Esta es la razón de los nuevos
Efectos beneficiosos, sin embargo al mismo tiempo surgen
nuevas preocupaciones. El tratamiento de comida sólida por radiación ionizante
puede producir un efecto similar a la pasteurización por calor en los líquidos,
tales como la leche. Sin embargo, el uso del término, pasteurización fría, para
describir las comidas irradiadas es controversial, debido a que la
pasteurización y la irradiación son dos procesos fundamentalmente diferentes,
aunque buscan resultados finales similares.
La irradiación de comida es actualmente permitida en más de
40 países y los volúmenes tratados exceden anualmente las 500.000 toneladas a
nivel mundial.7 8 9
La irradiación de comida esencialmente es una
tecnología no nuclear, se basa en la radiación de ionización que puede ser
generada por aceleradores de neutrones, pero que también puede usar rayos gama
producto del decaimiento nuclear. Existe una industria mundial para el
procesamiento por radiación ionizante, la mayoría tanto por cantidad como por
potencia de proceso se hace por aceleradores. La irradiación de comida es solo
una aplicación nicho cuando se compara a los insumos médicos, materiales
plásticos, materias primas, piedras preciosas, cables y alambres, etc.
Accidentes
Los accidentes nucleares, debido a las poderosas fuerzas
involucradas, son a menudo muy peligrosos. Históricamente, los primeros
incidentes tuvieron que ver con exposiciones fatales a la radiación. Marie
Curie murió de anemia aplásica como resultado de los altos niveles de
exposición que sufrió durante sus investigaciones. Otros dos científicos, un
estadounidense y un canadiense, Harry Daghlian y Louis Slotin, murieron por
mala manipulación de la misma masa de plutonio.
Los accidentes nucleares y radiológicos civiles normalmente
tienen que ver con plantas de energía nuclear. Las causas más comunes son fugas
que exponen a los trabajadores a material peligroso. Un derretimiento nuclear
se refiere a un accidente más serio que implica la liberación de material nuclear
al ambiente que rodea a la planta. Los accidentes de este tipo mas
significativos ocurrieron en Three Mile Island, Pennsylvania y en Chernobyl en
Ucrania. El terremoto y tsunami del 11 de marzo de 2011 causó serios daños a
tres reactores nucleares y a una piscina de depósito de combustible gastado en
la planta de energía nuclear de Fukushima Daiichi en Japón. Los reactores
militares que experimentaron accidentes similares fueron Windscale en el Reino
Unido y el SL-1 en Estados Unidos.
Los accidentes militares usualmente tienen que ver con la
pérdida o detonación inesperada de armas nucleares. La prueba Castle Bravo en
1954 produjo un mayor rendimiento de lo esperado, esta prueba contaminó las
islas cercanas, un buque pesquero japonés (con un muerto) y surgieron
preocupaciones de peces contaminados en Japón. Entre la década de los 50 y de
los 70, varias bombas nucleares fueron pérdidas desde submarinos y aviones,
algunas de las cuales nunca se recobraron. Los últimos veinte años han visto
una marcada declinación de accidentes semejantes.
