Definición de Química Nuclear
Ingeniera Química
La Química Nuclear es la parte de las ciencias químicas que se encarga de estudiar las reacciones nucleares y la energía involucrada en ellas.
Lo primero que debemos interpretar es ¿qué es una reacción nuclear? Cuando pensamos en ellas, sin comprenderlas demasiado, automáticamente se nos viene a la cabeza Estados Unidos y Rusia. Esto no están tan alejado de la realidad ya que, E.E.U.U. y la ex Unión Soviética han sido los precursores en el uso de reactores nucleares, que se han enviado al espacio para proporcionar energía a los satélites en órbita.
Retomando la definición de reacciones nucleares, se entiende como aquellas en donde se convierten pequeñas partículas nucleares en grandes cantidades de energía. Por ello, las reacciones nucleares involucran mayor cantidad de energía que las reacciones químicas y, como su nombre lo indica, ocurren por interacción entre núcleos atómicos y partículas subatómicas, en busca de alta estabilidad del núcleo nuevo formado.
Una de las principales características de una reacción nuclear que la diferencia de una reacción química es que no se puede controlar la velocidad con la que la misma se lleva a cabo, ya que no depende de factores externos como, por ejemplo, la temperatura.
¿Dónde se inician las reacciones nucleares?
El reactor nuclear más importante para la vida humana es el Sol, nuestra estrella, en donde los núcleos reaccionan entre sí y liberan enormes cantidades de energía. El hombre buscó entender el funcionamiento de este potente generador de energía y “copiarlo” para replicar en el uso cotidiano Así fue que, Albert Einstein fue el primer científico en comprender la cantidad de energía potencial que tenía la materia y la describió como:
Lo que nos dice que la energía (E) es el producto de la masa de un cuerpo (m) por la velocidad de la luz (c), cuyo valor aproximado es 8×108 m/s, esto nos explica que una pequeña porción de masa, al ser multiplicado por un factor tan grande puede transformar una significativa cantidad de energía. Einstein entonces comprendió la potencialidad que había en el mundo para generar energía a través de reacciones nucleares.
¿Qué tipos de reacciones nucleares conocemos?
Dos tipos principales: la fisión y la fusión nuclear.
La palabra fisión significa “separación”, cuando se bombardea un núcleo atómico, este se separa en dos o más fragmentos y a ello se lo conoce como una reacción de fisión nuclear.
Un claro ejemplo se descubre antes de la Segunda Guerra Mundial, cuando se bombardea un núcleo de uranio con neutrones dando lugar a:
Esta reacción dio como resultado la formación de un isótopo de Bario (Ba) y Kriptón (Kr) y 3 neutrones (n), donde la masa se conserva. Por lo que, fisión nuclear es aquella reacción en donde se produce la división de isótopos en núcleos de masas intermedias con emisión de neutrones.
Ahora bien, este potencial descubrimiento fue tan importante, que se buscó la manera de continuar la reacción a partir de los 3 neutrones producidos. Estos neutrones interactuarán con nuevos núcleos dando lugar a nuevos átomos de Bario y Kriptón, lo que se conoce como reacción en cadena y aquí radica el ferviente uso de este tipo de reacciones. Sin embargo, es fundamental controlar la velocidad con que esta reacción ocurre, dado que libera grandes cantidades de energía, esto ocurre al explotar una bomba atómica.
Ahora veamos que es la fusión nuclear, ya imaginan que el término fusión proviene de conjunción de dos o más elementos. Tal es así que, una fisión nuclear es la unión de dos o más núcleos atómicos que se combinan para formar un nuevo núcleo de mayor tamaño y mayor masa que sus predecesores.
En el Sol ocurre una fisión nuclear muy característica, los núcleos de dos isótopos de Hidrógeno (H) se fusionan para dar lugar al elemento Helio (He):
Al combinarse, forman un núcleo más estable y de mayor tamaño.
Esta reacción produce aproximadamente 20 veces más energía que la fusión nuclear del Uranio, por lo que resulta altamente atractiva para la industria. Además, en general, se tienen otras ventajas de la fusión por sobre la fisión nuclear, por ejemplo, la no producción de productos radioactivos y el control de la velocidad de reacción más fácil. Sin embargo, la energía de activación inicial para que ocurra una reacción de fusión es mucho mayor que la necesaria para una fisión nuclear, por lo que, en estos términos se vuelve más costosa.
¿Dónde se producen estas reacciones?
Así como hay dos tipos de reacciones, hay dos tipos de reactores en donde estas se llevan a cabo. Lo que hoy en día se conocen como reactores nucleares son dispositivos en donde ocurren reacciones nucleares, es decir, se usan para extraer energía a partir de combustible radioactivo.
Los reactores de fisión nuclear se operan en plantas destinadas para tal fin, en donde, por ejemplo, el Uranio ingresa en “barras” de combustibles. A la par, existen “varillas de control” que pueden elevarse o bajarse de forma tal de aumentar o disminuir la velocidad de reacción respectivamente, al absorberse los neutrones producidos disminuye la cantidad de reacciones de fisión en cadena. Al producirse energía, se calienta agua que es convertida en vapor, el cual pone en marcha una turbina que hace girar un generador eléctrico para producir energía. En este proceso resulta fundamental la refrigeración, el control de la velocidad de reacción, la recirculación del agua a utilizar y la correcta eliminación de los desechos radioactivos producidos.
El caso de los reactores de fisión nuclear no es tan sencillo, puesto que aún no se ha encontrado la forma adecuada de operarlos para la obtención de energía convencional, dadas las altas temperaturas producidas por las reacciones y la imposibilidad de encontrar materiales que las soporten, sumado a la dificultad de suministrar una gran cantidad de energía de activación para el inicio y su consecuente contención.
Trabajo publicado en: Oct., 2021.
Referencias
Química, conceptos y aplicaciones. J. PHILLIPS, V. STROZAK, C. WISTROM. Mc Gran Hill.2007.Escriba un comentario
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