Tecnología nuclear para niños
La tecnología nuclear se refiere a todo lo relacionado con las reacciones que ocurren en el núcleo de los átomos de ciertos elementos. Las aplicaciones más conocidas de esta tecnología son la energía nuclear, la medicina nuclear y las armas nucleares. Se han desarrollado usos que van desde detectores de humo hasta reactores nucleares.
Contenido
Historia y descubrimientos científicos
¿Cómo se descubrió la radiactividad?
La mayoría de los fenómenos naturales en la Tierra se explican por la gravedad o el electromagnetismo. Las reacciones nucleares son diferentes. Los núcleos de los átomos se repelen entre sí porque tienen cargas eléctricas positivas.
En 1896, Henri Becquerel estaba estudiando unas sales de uranio cuando descubrió un fenómeno nuevo: la radiactividad. Él, Pierre Curie y Marie Curie investigaron este fenómeno. Así, lograron aislar el radio, un elemento muy radiactivo. Descubrieron que los materiales radiactivos producen rayos intensos y penetrantes de tres tipos: alfa, beta y gamma. Estos rayos podían atravesar materiales comunes y, en grandes cantidades, podían ser dañinos para la salud. Al principio, los investigadores no se preocupaban mucho por las quemaduras que les causaba la radiación, que eran parecidas a las del sol.
Al principio, algunas personas sin escrúpulos intentaron vender "medicinas" y tratamientos que usaban radiactividad, pero pronto se vio que eran falsos y peligrosos.
Poco a poco, se entendió que la radiación de los materiales radiactos era radiación ionizante. Se dieron cuenta de que incluso pequeñas cantidades, que no causaban quemaduras, podían ser muy peligrosas a largo plazo. Muchos científicos que trabajaron con radiactividad fallecieron por cáncer debido a la exposición. Las "medicinas" radiactivas desaparecieron, pero otras aplicaciones útiles, como las esferas de relojes que brillaban en la oscuridad gracias a sales de radio, continuaron.
A medida que se comprendía mejor el átomo, se supo más sobre la radiactividad. Algunos núcleos atómicos grandes son inestables y se desintegran (liberan materia o energía) de forma aleatoria. Los tres tipos de radiación que Becquerel y los Curie descubrieron se explicaron mejor:
- La desintegración alfa ocurre cuando un núcleo libera una partícula alfa, que es como un núcleo de helio (dos protones y dos neutrones).
- La desintegración Beta es la liberación de una partícula beta, un electrón con mucha energía.
- La desintegración gamma libera rayos gamma, que no son materia, sino radiación electromagnética de muy alta frecuencia y energía. Este tipo de radiación es el más peligroso y difícil de detener.
Se ha descubierto que la mayor parte de la energía de la Tierra proviene de fuentes nucleares. Por ejemplo, la radiación del Sol es causada por reacciones termonucleares en las estrellas. También, la energía geotérmica de la Tierra proviene de la desintegración radiactiva del uranio en su interior.
¿Qué es la fisión nuclear?
La fisión nuclear es el proceso de dividir un núcleo atómico en dos partes más pequeñas. Este proceso libera energía y neutrones. Si estos neutrones son capturados por otro núcleo inestable, también pueden causar su fisión, lo que puede generar una reacción en cadena.
Cuando se descubrió la fisión al principio de la Segunda Guerra Mundial, varios países comenzaron a investigar cómo construir una bomba atómica. Esta arma usaría las reacciones de fisión para liberar mucha más energía que los explosivos químicos. El Proyecto Manhattan, liderado por Estados Unidos con ayuda del Reino Unido y Canadá, desarrolló las primeras armas de fisión que se usaron en 1945. Durante este proyecto, también se crearon los primeros reactores de fisión, aunque se usaron principalmente para fabricar materiales para armas, no para generar electricidad.
Hoy en día, la fisión controlada se usa comúnmente para generar electricidad en centrales nucleares.
¿Qué es la fusión nuclear?
La fusión nuclear ocurre cuando los núcleos de los átomos se unen. Este proceso puede liberar o absorber energía. Si el núcleo resultante es más ligero que el hierro, generalmente se libera energía. Si es más pesado, se absorbe. Este proceso de fusión es el que ocurre en las estrellas, como nuestro Sol, que obtienen su energía del hidrógeno y el helio.
La fusión es difícil de lograr de forma controlada debido a la fuerte repulsión entre los núcleos. La bomba de hidrógeno obtiene su gran poder destructivo de la fusión, pero esa energía no se puede controlar. La fusión controlada se logra en aceleradores de partículas, donde se producen muchos elementos sintéticos. Un fusor también puede producir fusión controlada y es una fuente útil de neutrones. Sin embargo, estos dispositivos consumen más energía de la que producen. A pesar de la investigación, aún no se ha logrado una fuente de energía de fusión controlable y viable para uso civil.
La fusión nuclear se investigó teóricamente durante la Segunda Guerra Mundial. El Proyecto Manhattan la estudió como un método para construir una bomba. La primera bomba de hidrógeno se detonó en 1952. Las reacciones de fusión liberan mucha más energía por unidad de masa de combustible nuclear que las de fisión, pero iniciar una reacción en cadena de fusión es mucho más difícil.
Armas nucleares
Un arma nuclear es un dispositivo explosivo que obtiene su poder destructivo de las reacciones nucleares, ya sea por fisión o por una combinación de fisión y fusión. Las armas nucleares se consideran armas de destrucción masiva y su uso y control han sido muy importantes en la política internacional desde que aparecieron.
El diseño de armas nucleares es complejo. Un arma de este tipo debe contener una o más masas de material fisible que sean estables para ser transportadas, y luego deben activarse para crear una masa crítica y detonar. También es difícil asegurar que la reacción en cadena consuma una parte significativa del combustible antes de que el dispositivo se desintegre. Obtener el combustible nuclear también es complicado, ya que ninguna sustancia natural es lo suficientemente inestable para este proceso.
Un isótopo de uranio, el uranio-235, existe en la naturaleza y es lo suficientemente inestable. Sin embargo, siempre se encuentra mezclado con el isótopo más estable uranio-238, que constituye más del 99% del uranio natural. Por eso, se necesitan métodos de separación de isótopos para enriquecer (aislar) el uranio-235.
Otra opción es el plutonio, que tiene un isótopo lo suficientemente inestable para ser usado. El plutonio no se encuentra en la naturaleza, así que debe fabricarse en un reactor nuclear.
El Proyecto Manhattan fabricó armas nucleares usando ambos elementos. La primera arma nuclear se detonó en una prueba llamada "Trinity", cerca de Alamogordo, Nuevo México, el 16 de julio de 1945. Una bomba de uranio, llamada "Little Boy", fue lanzada sobre la ciudad japonesa de Hiroshima el 6 de agosto de 1945. Tres días después, una bomba de plutonio, llamada "Fat Man", fue lanzada sobre Nagasaki. La devastación y las muertes sin precedentes causadas por estas bombas llevaron al gobierno japonés a rendirse, poniendo fin a la Segunda Guerra Mundial.
Desde estos bombardeos, ninguna arma nuclear ha sido usada en un ataque. Sin embargo, provocaron una carrera de armas para crear bombas cada vez más destructivas, como una forma de disuasión nuclear. Cuatro años después, el 29 de agosto de 1949, la Unión Soviética detonó su primera arma de fisión. El Reino Unido lo hizo el 2 de octubre de 1952, Francia el 13 de febrero de 1960 y China el 16 de octubre de 1964. Estos cinco países tienen permitido poseer armas nucleares bajo el Tratado de No Proliferación Nuclear. Solo cuatro estados 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 sobre su propio programa nuclear. Corea del Norte se unió al tratado, lo incumplió y se retiró en 2003.
Además de la luz, el calor y la fuerza explosiva, las armas nucleares tienen otro componente mortal: la radiación. Aproximadamente la mitad de las muertes en Hiroshima y Nagasaki ocurrieron entre dos y cinco años después debido a la exposición a la radiación. Un arma radiológica es un tipo de arma nuclear diseñada para dispersar material nuclear peligroso en territorio enemigo. Este tipo de arma no tendría la capacidad explosiva de una bomba de fisión o fusión, pero podría causar muchas muertes y contaminar una gran área. Un arma radiológica nunca ha sido usada.
Se han realizado más de 2.000 pruebas nucleares desde 1945. En 1963, muchos países firmaron el Tratado de prohibición parcial de ensayos nucleares, comprometiéndose a no realizar pruebas de armas nucleares en la atmósfera, bajo el agua o en el espacio exterior. El tratado permite las pruebas nucleares subterráneas. Después de firmar el Tratado de Prohibición Completa de los Ensayos Nucleares en 1996, todos estos estados se han comprometido a detener todas las pruebas nucleares.
Las armas nucleares son las armas más destructivas conocidas. Durante la Guerra Fría, las potencias opuestas tenían enormes arsenales nucleares, suficientes para causar la muerte de cientos de millones de personas.
Usos pacíficos de la tecnología nuclear
¿Cómo se usa la energía nuclear para generar electricidad?
La energía nuclear es una tecnología que usa la fisión nuclear de forma controlada para liberar energía con fines pacíficos, como la propulsión, la calefacción y la generación de electricidad. La energía nuclear se produce mediante una reacción en cadena controlada que genera calor. Este calor se usa para hervir agua, producir vapor y mover una turbina de vapor. La turbina, a su vez, genera electricidad o realiza trabajo mecánico.
En 2004, la energía nuclear proporcionaba aproximadamente el 15,7% de la electricidad mundial. También se usa para propulsar portaviones, rompehielos y submarinos. Todas las centrales de energía nuclear usan la fisión. A pesar de muchos esfuerzos, ninguna reacción de fusión creada por el ser humano ha producido más energía de la que se usó para crearla, por lo que aún no es una fuente viable para generar electricidad.
Aplicaciones médicas
Las aplicaciones médicas de la tecnología nuclear se dividen en diagnósticos y tratamientos con radiación.
- Imágenes: Las imágenes de rayos X médicos y dentales usan cobalto-60 u otras fuentes de rayos X. El tecnecio-99m se usa, unido a moléculas orgánicas, como un trazador radiactivo en el cuerpo humano para ver órganos, antes de ser expulsado por los riñones. Los positrones que emiten nucleótidos se usan para crear imágenes de alta resolución y corta duración en una técnica llamada tomografía por emisión de positrones.
- Terapia de radiación: Es un tratamiento efectivo para el cáncer.
Aplicaciones industriales
- Exploración de petróleo y gas: El registro de pozos nuclear se usa para saber si un pozo de petróleo o gas es comercialmente viable. Esta tecnología implica bajar una fuente de rayos gamma o neutrones y un detector de radiación por el agujero de perforación para determinar las propiedades de la roca, como su porosidad.
- Construcción de caminos: Los medidores nucleares de humedad/densidad se usan para determinar la densidad de suelos, asfaltos y concretos. Normalmente se usa una fuente de cesio-137.
Aplicaciones comerciales
Un detector de humo por ionización contiene una pequeña cantidad de americio-241 radiactivo, que es una fuente de radiación alfa. El tritio se usa con fósforo en las miras de armas para mejorar la precisión en condiciones de poca luz. Los letreros de salida que se autoiluminan usan la misma tecnología.
Procesamiento de alimentos y agricultura
La irradiación de alimentos es un proceso en el que la comida se expone a radiación ionizante para destruir microorganismos, bacterias, virus o insectos que puedan estar presentes. Las fuentes de radiación usadas incluyen radioisótopos que producen rayos gamma, generadores de rayos X y aceleradores de neutrones. Otros usos incluyen evitar que los alimentos broten, retrasar su maduración, aumentar la producción de jugo y mejorar la rehidratación. La irradiación es un término más general para la exposición deliberada de materiales a la radiación para lograr un objetivo técnico. Se usa en muchos productos no alimenticios, como instrumental médico, plásticos, tubos para gasoductos, mangueras para calefacción de pisos, materiales para embalaje de comida, repuestos para automóviles, alambres y cables, neumáticos e incluso piedras preciosas.
El efecto principal de procesar alimentos con radiación ionizante es dañar el ADN, que es la información genética básica para la vida. Los microorganismos no pueden crecer ni realizar sus actividades, deteniendo la descomposición. Los insectos no sobreviven o no pueden reproducirse. Las plantas no pueden continuar su ciclo natural de maduración o envejecimiento. Todos estos efectos son beneficiosos para los consumidores y la industria alimentaria.
La cantidad de energía usada para irradiar alimentos es baja en comparación con la necesaria para cocinarlos. Incluso con una dosis típica, la comida solo se calienta unos pocos grados.
Lo especial del procesamiento de alimentos con radiación ionizante es que la energía por transición atómica es muy alta, lo que puede romper moléculas e inducir ionización (de ahí su nombre), algo que no se logra solo calentando. Esto trae nuevos beneficios, pero también nuevas consideraciones. El tratamiento de alimentos sólidos con radiación ionizante puede producir un efecto similar a la pasteurización por calor en líquidos, como la leche. Sin embargo, usar el término "pasteurización fría" para describir alimentos irradiados es un tema de debate, ya que la pasteurización y la irradiación son procesos fundamentalmente diferentes, aunque buscan resultados finales parecidos.
La irradiación de alimentos está permitida en más de 40 países, y el volumen tratado anualmente supera las 500.000 toneladas en todo el mundo.
La irradiación de alimentos es una tecnología que se basa en la radiación ionizante, que puede ser generada por aceleradores de neutrones o por rayos gamma de la desintegración nuclear. Existe una industria global para el procesamiento por radiación ionizante, y la mayor parte se realiza con aceleradores. La irradiación de alimentos es solo una pequeña parte de sus aplicaciones, en comparación con los usos en insumos médicos, materiales plásticos, materias primas, piedras preciosas, cables y alambres, entre otros.
Accidentes nucleares
Los accidentes nucleares, debido a las poderosas fuerzas involucradas, suelen ser muy peligrosos. Históricamente, los primeros incidentes fueron exposiciones fatales a la radiación. Marie Curie falleció por una enfermedad de la sangre debido a los altos niveles de exposición que sufrió durante sus investigaciones. Otros dos científicos, Harry Daghlian y Louis Slotin, fallecieron por manipular incorrectamente la misma masa de plutonio.
Los accidentes nucleares y radiológicos civiles suelen ocurrir en centrales de energía nuclear. Las causas más comunes son fugas que exponen a los trabajadores a material peligroso. Un derretimiento nuclear es un accidente más grave que implica la liberación de material nuclear al ambiente alrededor de la planta. Los accidentes más importantes de este tipo ocurrieron en Three Mile Island, Pensilvania y en Chernóbil en Ucrania. El terremoto y tsunami del 11 de marzo de 2011 causaron graves daños a tres reactores nucleares y a una piscina de almacenamiento de combustible gastado en la central de Fukushima Daiichi en Japón.
Los accidentes militares suelen estar relacionados con la pérdida o detonación inesperada de armas nucleares. La prueba Castle Bravo en 1954 produjo una explosión mayor de lo esperado, contaminando islas cercanas y un barco pesquero japonés (con una víctima mortal). Entre las décadas de 1950 y 1970, varias bombas nucleares se perdieron de submarinos y aviones, y algunas nunca se recuperaron. En los últimos veinte años, este tipo de accidentes ha disminuido notablemente.
Véase también
En inglés: Nuclear technology Facts for Kids
- Esquema de la tecnología nuclear
- Energía nuclear
- Ingeniería nuclear
- Fisión nuclear
- Central nuclear
- Seguridad nuclear
- Combustible nuclear
- Radiología
