Las
transformaciones nucleares son reacciones en las que participan las partículas
subatómicas y los núcleos atómicos, que interaccionan entre sí mediante
colisiones o desintegraciones, y como en cualquier tipo de interacción, se
cumplen los principios de conservación de la masa, de la energía total, del
momento lineal, del momento angular y de la carga eléctrica. Además, las
reacciones nucleares pueden clasificarse según donde se lleven a cabo las
mismas, pues podemos encontrar transformaciones nucleares naturales (estrellas,
minerales) o transformaciones nucleares provocadas por hombre, es decir artificiales (centrales nucleares, bomba atómica).
LAS TRANSFORMACIONES NUCLEARES NATURALES
Las reacciones nucleares
de fusión son un proceso natural que ocurre en las estrellas, produciéndose debido a
su elevada temperatura interior.
Este proceso consiste en el
choque, que se consiguen con una elevada temperatura, que hace aumentar la velocidad
de las partículas, de dos núcleos atómicos de carga similar con tal fuerza que
se venza a la fuerza de repulsión eléctrica que hay entre ellos y se forme un
núcleo más pesado y estable, liberándose gran cantidad de energía.
La energía solar procede de una
reacción de fusión a temperaturas de 10 a 20 millones de grados en las que participa el deuterio
(D) y el tritio (T), isotopos del átomo de hidrógeno. Las
reacciones de fusión más importantes son: |
| Fuente: elaboración propia |
n + p → D +
Energía
2n+ p →T + Energía
D + T → 4He
+ n + Energía
D + D → 3He
+ n + Energía
D + D → T +
p + Energía
n = neutrones
p = protones
El Tritio es el isótopo inestable o radiactivo del átomo de hidrógeno. Está compuesto por un protón y dos neutrones y se desintegra por emisión beta con relativa rapidez, y aunque es escaso en la naturaleza, puede ser generado por reacciones de captura neutrónica con los isótopos del Litio, material abundante en la corteza terrestre y en el agua del mar.
El Tritio es el isótopo inestable o radiactivo del átomo de hidrógeno. Está compuesto por un protón y dos neutrones y se desintegra por emisión beta con relativa rapidez, y aunque es escaso en la naturaleza, puede ser generado por reacciones de captura neutrónica con los isótopos del Litio, material abundante en la corteza terrestre y en el agua del mar.
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| Fuente: elaboración propia |
El Deuterio es un isótopo estable
del hidrógeno formado por un protón y un neutrón. Su abundancia en el agua es
de un átomo por cada 6.500 átomos de Hidrógeno, lo que significa que con el
contenido de deuterio existente en el agua del mar (34 gramos por metro cúbico)
es posible obtener una energía inagotable mediante la fusión nuclear, y cuyo
contenido energético es tal que con la cantidad de deuterio existente en cada
litro de agua de mar, la energía obtenida por la fusión nuclear de estos átomos
de deuterio equivale a 250 litros de petróleo.
Este hecho hace que hoy en día se
estén llevando a cabo diversas investigaciones, para aprovechar esta
particularidad del deuterio, lo que supondría una fuente casi inagotable de
energía, aunque son muchas las dificultades dado que conseguir que se fusionen
los núcleos es bastante difícil, por lo que se tiene que «calentar» los átomos
que van a participar a temperaturas muy altas; y que si bien el deuterio es
fácil de obtener, no ocurre lo mismo con el tritio, que además es radiactivo
con un periodo de 12,4 años.
También podemos encontrar otro
tipo de reacciones nucleares naturales, producidas por los rayos cósmicos. Los
rayos cósmicos son partículas subatómicas procedentes del espacio exterior cuya
energía, debido a su gran velocidad, es muy elevada: cercana a la velocidad de
la luz. Se descubrieron cuando se comprobó que la conductividad eléctrica de la
atmósfera terrestre se debe a ionización causada por radiaciones de alta
energía. La radiación cósmica al incidir
con los núcleos que forman la atmósfera produce reacciones que originan otros
núcleos y que a su vez producen nuevas reacciones con la formación de otras
partículas, que repiten el proceso produciendo las cascadas de partículas. Como
consecuencia, se produce una serie de isotopos radiactivos inducidos a los que
se denominan cosmogónicos, y que se encuentran tanto en la superficie de la
Tierra como en la atmósfera. El ritmo de formación varía tanto con la altitud
como la latitud.
LAS TRANSFORMACIONES NUCLEARES ARTIFICIALES
Jean Fréderic Joliot-Curie e Irène Joliot-Curie advirtieron en
1934 que las partículas emitidas por el boro, el magnesio y el aluminio al ser
bombardeadas por partículas alfa producían positrones (electrones positivos),
los cuales continuaban siendo emitidos tras terminar el bombardeo. Se descubrió
así la radiactividad artificial o inducida.
Explicaron el fenómeno aceptando que el núcleo secundario formado
en la reacción era inestable y que se desintegraba emitiendo un positrón. El
isótopo radiactivo originado tenía un período de semidesintegración propio del
elemento en cuestión.
Mientras que muchos elementos experimentan trasformaciones
radiactivas naturales, hay reacciones nucleares que también pueden ser
estimuladas de forma artificial. Distinguimos dos tipos de reacciones nucleares
artificiales:
La FISIÓN NUCLEAR
consiste en una reacción en la cual se hace incidir neutrones en un núcleo
pesado (que posee excesiva cantidad de neutrones y protones), consiguiendo que
este se divida en dos núcleos más pequeños. En el proceso se libera gran
cantidad de energía más neutrones.
La fisión nuclear fue descubierta por Otto Hahn y Friedrich
Wilhelm Strassmann en 1938 cuando consiguieron dividir un núcleo de uranio 235 según la siguiente reacción:
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| Fuente: elaboración propia |
Los núcleo más aptos para la reacción de fisión son los de elevado
peso atómico. Los isótopos más utilizados son el uranio 235 y el plutonio 239.
Los neutrones liberados en la reacción de fisión de un núcleo
pueden fisionar otros núcleos originando una reacción en cadena. En 1942 Enrico
Fermi produjo la primera fisión nuclear en cadena controlada, que consiste en
introducir un material que absorba el exceso de neutrones para evitar que la
reacción prosiga de forma explosiva. Un ejemplo de fisión no controlada es la
bomba atómica.
En las centrales nucleares, el calor provocado en la fisión se
emplea para producir vapor, el cual mueve unas turbinas generando energía
eléctrica. Las centrales nucleares cuentan con importantes sistemas de
seguridad gracias a los cuales se controlan los accidentes, no obstante pueden
ocurrir como el conocido de Chernóbil en 1986.
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| Fuente: elaboración propia |
Una desventaja de la fisión nuclear es que los núcleos formados
tras la reacción son muy contaminantes, son los conocidos como desechos
radiactivos.
La FUSIÓN NUCLEAR
consiste en una reacción nuclear en la que dos núcleos ligeros se unen para
formar otro más pesado. En el proceso se libera gran cantidad de energía.
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| Fuente: elaboración propia |
El inicio de un proceso de fusión nuclear requiere una energía de
activación suficiente para vencer las repulsiones electrostáticas de los
núcleos para que estos se unan, por lo que es necesario proporcionar una energía
térmica muy elevada (superior a los 106 K).
Los núcleos más aptos para producir la fusión nuclear son los de
pequeño peso atómico como el H-2 y el H-3.
La fusión controlada presenta múltiples ventajas frente a la
fisión porque existen grandes reservas de combustible, se obtiene una energía
más de tres veces mayor que en la fisión y no se producen residuos
contaminantes.
