24.6: Química Nuclear Aplicada

Objetivos de aprendizaje

• Entender cómo funcionan los reactores nucleares.

Las necesidades energéticas cada vez mayores de las sociedades modernas han llevado a científicos e ingenieros a desarrollar formas de aprovechar la energía liberada por las reacciones nucleares. A la fecha, todas las aplicaciones prácticas de la energía nuclear se han basado en reacciones de fisión nuclear. Aunque la fusión nuclear ofrece muchas ventajas en principio, las dificultades técnicas para lograr las altas energías requeridas para iniciar las reacciones de fusión nuclear han impedido hasta ahora el uso de la fusión para la liberación controlada de energía. En esta sección, se describen los diversos tipos de centrales nucleares que actualmente generan electricidad a partir de reacciones nucleares, junto con algunas posibles formas de aprovechar la energía de fusión en el futuro. Además, se discuten algunas de las aplicaciones de la radiación nuclear y los radioisótopos, que tienen innumerables usos en medicina, biología, química e industria.

Figura\(\PageIndex{1}\): Pitchblende. Pitchblende, el principal mineral de uranio, que consiste principalmente en óxido de uranio.

Reactores Nucleares

Cuando se logra una masa crítica de un isótopo fisionable, el flujo resultante de neutrones puede conducir a una reacción autosostenida. Se pueden utilizar diversas técnicas para controlar el flujo de neutrones de dicha reacción, lo que permite que las reacciones de fisión nuclear se mantengan a niveles seguros. Se requieren muchos niveles de control, junto con un diseño a prueba de fallas, porque de lo contrario la reacción en cadena puede acelerar tan rápidamente que libera suficiente calor para fundir o vaporizar el combustible y el contenedor, una situación que puede liberar suficiente radiación para contaminar el área circundante. Las reacciones de fisión nuclear incontroladas son relativamente raras, pero han ocurrido al menos 18 veces en el pasado. El suceso más reciente fue el resultado de la dañada planta de Fukushima Dai-ichi luego del terremoto y tsunami del 11 de marzo de 2011 que devastó Japón. La planta utilizó agua dulce para enfriar barras de combustible nuclear para mantener una fisión nuclear controlada y sostenible. Cuando se interrumpió el suministro de agua, se generó tanto calor que se produjo una fusión parcial. Los niveles de yodo radiactivo en el agua de mar contaminada de la planta fueron más de 4300 veces el límite de seguridad regulado. Para poner esto en perspectiva, beber un litro de agua dulce con este nivel de contaminación equivale a recibir el doble de la dosis anual de radiación que es típica de una persona. Se estima que el desmantelamiento de la planta y la descontaminación del sitio requerirá 30 años a un costo aproximado de 12 mil millones de dólares.

Hay pruebas convincentes de que las reacciones en cadena nucleares incontroladas ocurrieron naturalmente en la historia temprana de nuestro planeta, hace unos 1.7 mil millones de años en depósitos de uranio cerca de Oklo en Gabón, África Occidental (Figura\(\PageIndex{1}\)). La abundancia natural de ²³⁵ U hace 2 mil millones de años era de alrededor del 3%, en comparación con el 0.72% actual; en contraste, los depósitos de “reactores nucleares fósiles” en Gabón ahora contienen solo 0.44% ²³⁵ U. Una combinación inusual de fenómenos geológicos en esta región aparentemente resultó en la formación de depósitos de óxido de uranio esencialmente puro que contienen 3% ²³⁵ U, lo que casualmente es idéntico al combustible utilizado en muchas centrales nucleares modernas. Cuando el agua de lluvia o agua subterránea saturó uno de estos depósitos, el agua actuó como un moderador natural que disminuyó la energía cinética de los neutrones emitidos por la desintegración radiactiva de ²³⁵ U, permitiendo que los neutrones iniciaran una reacción en cadena. Como resultado, todo el depósito “se volvió crítico” y se convirtió en una reacción nuclear en cadena incontrolada, que se estima que produjo alrededor de 100 kW de potencia. Se piensa que estos reactores nucleares naturales operaban sólo de manera intermitente, sin embargo, debido a que el calor liberado habría vaporizado el agua. Al retirar el agua se habría cerrado el reactor hasta que las rocas se enfriaran lo suficiente como para permitir que el agua volviera a ingresar al depósito, momento en el que la reacción en cadena comenzaría de nuevo. Se cree que este ciclo de encendido y apagado se repitió por más de 100 mil años, hasta que se consumieron tanto ²³⁵ U que los depósitos ya no pudieron soportar una reacción en cadena.

Figura\(\PageIndex{1}\): Un “reactor nuclear fósil” en una mina de uranio cerca de Oklo en Gabón, África Occidental. Hace más de mil millones de años, una serie de depósitos ricos en uranio en África occidental aparentemente “se volvieron críticos”, iniciando reacciones de fisión nuclear incontroladas que pueden haber continuado intermitentemente durante más de 100 mil años, hasta que la concentración de uranio-235 se volvió demasiado baja para soportar una reacción en cadena. Esta foto muestra a un geólogo parado en una mina excavada para extraer el mineral de uranio concentrado. El interés comercial disminuyó rápidamente después de que se reconoció que el mineral de uranio estaba severamente empobrecido en uranio-235, el isótopo de interés.

Además del incidente en Japón, otra instancia reciente de una reacción nuclear en cadena incontrolada ocurrió el 25 al 26 de abril de 1986, en la central nuclear de Chernobyl en la ex Unión de Repúblicas Socialistas Soviéticas (URSS; ahora en Ucrania; Figura\(\PageIndex{2}\)). Durante las pruebas del generador de turbina del reactor, una serie de fallas mecánicas y operativas provocaron una reacción en cadena que rápidamente se salió de control, destruyendo el núcleo del reactor y encendiendo un incendio que destruyó gran parte de la instalación y liberó una gran cantidad de radiactividad. Treinta personas murieron de inmediato, y los altos niveles de radiación en un radio de 20 millas obligaron a reasentarse o evacuar a casi 350 mil personas. Además, el accidente provocó una perturbación en la economía soviética que se estima que ha costado casi 13 mil millones de dólares. Es algo sorprendente, sin embargo, que los efectos a largo plazo sobre la salud de las 600 mil personas afectadas por el accidente parezcan ser mucho menos severos de lo previsto originalmente. Inicialmente, se predijo que el accidente resultaría en decenas de miles de muertes prematuras, pero un estudio exhaustivo a casi 20 años después del suceso sugiere que 4000 personas morirán prematuramente por exposición a la radiación debido al accidente. Aunque significativo, de hecho representa sólo alrededor de un 3% de incremento en la tasa de cáncer entre las 600 mil personas más afectadas, de las cuales aproximadamente una cuarta parte se esperaría que eventualmente muriera de cáncer aunque el accidente no hubiera ocurrido.

Figura\(\PageIndex{2}\): La Central Nuclear de Chernobyl. En 1986, las fallas mecánicas y operativas durante las pruebas en la central eléctrica de Chernobyl en la URSS (ahora en Ucrania) provocaron una reacción en cadena nuclear incontrolada. El incendio resultante destruyó gran parte de la instalación y dañó severamente el núcleo del reactor, resultando en la liberación de grandes cantidades de radiación que se extendió sobre el área circundante por los vientos predominantes. Los efectos fueron devastadores para la salud de la población de la región y para la economía soviética.

Si, por otro lado, el flujo de neutrones en un reactor se regula cuidadosamente para que solo se libere el calor suficiente para hervir el agua, entonces el vapor resultante se puede utilizar para producir electricidad. Así, un reactor nuclear es similar en muchos aspectos a las centrales eléctricas convencionales que queman carbón o gas natural para generar electricidad; la única diferencia es la fuente del calor que convierte el agua en vapor.

Reactores de agua ligera

Comenzamos nuestra descripción de las centrales nucleares con reactores de agua ligera, que se utilizan ampliamente para producir electricidad en países como Japón, Israel, Corea del Sur, Taiwán y Francia, países que carecen de grandes reservas de combustibles fósiles. Los componentes esenciales de un reactor de agua ligera se representan en la Figura\(\PageIndex{3}\). Todas las centrales nucleares existentes tienen componentes similares, aunque diferentes diseños utilizan diferentes combustibles y condiciones de operación. Las barras de combustible que contienen un isótopo fisionable en una forma estructuralmente estabilizada (como pellets de óxido de uranio encerrados en una aleación de circonio resistente a la corrosión) se suspenden en un baño de enfriamiento que transfiere el calor generado por la reacción de fisión a un sistema de enfriamiento secundario. El calor se utiliza para generar vapor para la producción de electricidad. Además, las barras de control se utilizan para absorber neutrones y con ello controlar la velocidad de la reacción nuclear en cadena. Las barras de control están hechas de una sustancia que absorbe eficientemente neutrones, como boro, cadmio o, en submarinos nucleares, hafnio. Sacar las barras de control aumenta el flujo de neutrones, permitiendo que el reactor genere más calor, mientras que insertar las barras detiene completamente la reacción, un proceso llamado “revolver el reactor”.

Figura\(\PageIndex{3}\): Un reactor de fisión nuclear de agua ligera para la producción de energía eléctrica. Las barras de combustible están hechas de una aleación resistente a la corrosión que encierra el combustible de uranio parcialmente enriquecido; la fisión controlada de ²³⁵ U en el combustible produce calor. El agua rodea las barras de combustible y modera la energía cinética de los neutrones, ralentizándolos para aumentar la probabilidad de que induzcan fisión. Las barras de control que contienen elementos como boro, cadmio o hafnio, que son muy efectivas para absorber neutrones, se utilizan para controlar la velocidad de la reacción de fisión. Un intercambiador de calor se utiliza para hervir agua en un sistema de enfriamiento secundario, creando vapor para impulsar la turbina y producir electricidad. La gran torre de enfriamiento hiperbólica, que es la porción más visible de la instalación, condensa el vapor en el circuito de enfriamiento secundario; a menudo se encuentra a cierta distancia del reactor real.

A pesar de esta aparente simplicidad, se deben superar muchos obstáculos técnicos para que la energía nuclear sea una fuente de energía eficiente y segura. El uranio contiene sólo 0.72% de uranio-235, que es el único isótopo fisionable natural del uranio. Debido a que esta abundancia no es suficiente para soportar una reacción en cadena, el combustible de uranio debe estar al menos parcialmente enriquecido en ²³⁵ U, a una concentración de aproximadamente 3%, para que pueda sostener una reacción en cadena. En este nivel de enriquecimiento, una explosión nuclear es imposible; se requieren niveles de enriquecimiento mucho mayores (mayores o iguales al 90%) para aplicaciones militares como las armas nucleares o los reactores nucleares en submarinos. El enriquecimiento se logra convirtiendo el óxido de uranio en UF ₆, que es volátil y contiene moléculas discretas de UF ₆. Debido a que ²³⁵ UF _{6 y ²³⁸ UF 6} tienen diferentes masas, tienen diferentes tasas de efusión y difusión, y pueden separarse mediante un proceso de difusión de gas. Otra dificultad es que los neutrones producidos por la fisión nuclear son demasiado energéticos para ser absorbidos por los núcleos vecinos, y escapan del material sin inducir fisión en los núcleos cercanos de ²³⁵ U. En consecuencia, se debe utilizar un moderador para ralentizar los neutrones lo suficiente como para permitir que sean capturados por otros núcleos de ²³⁵ U. Los neutrones de alta velocidad son dispersados por sustancias como el agua o el grafito, lo que disminuye su energía cinética y aumenta la probabilidad de que reaccionen con otro núcleo de ²³⁵ U. El moderador en un reactor de agua ligera es el agua que se utiliza como refrigerante primario. El sistema está altamente presurizado a aproximadamente 100 atm para evitar que el agua hierva a 100°C.

Todos los reactores nucleares requieren de un potente sistema de enfriamiento para absorber el calor generado en el núcleo del reactor y crear vapor que se utiliza para impulsar una turbina que genera electricidad. En 1979, ocurrió un accidente cuando las principales bombas de agua utilizadas para la refrigeración en la central nuclear de Three Mile Island en Pensilvania dejaron de funcionar, lo que impidió que los generadores de vapor eliminaran calor. Finalmente, la carcasa de circonio de las barras de combustible se rompió, resultando en una fusión de aproximadamente la mitad del núcleo del reactor. A pesar de que no hubo pérdida de vidas y sólo una pequeña liberación de radiactividad, el accidente produjo cambios radicales en las operaciones de las centrales nucleares. La Comisión Reguladora Nuclear de Estados Unidos endureció su supervisión para mejorar la seguridad.

La principal desventaja de los reactores de fisión nuclear es que el combustible gastado, que contiene muy poco isótopo fisionable para la generación de energía, es mucho más radiactivo que el combustible no utilizado debido a la presencia de muchos núcleos hijos con vidas medias más cortas que ²³⁵ U. los isótopos generan tanto calor que las barras de combustible gastado deben almacenarse en agua hasta 5 años antes de que puedan ser manejadas. Incluso entonces, los niveles de radiación son tan altos que las barras deben almacenarse durante muchos, muchos años más para permitir que los isótopos hijos se descompongan a niveles no peligrosos. Cómo almacenar estas barras de combustible gastadas durante cientos de años es un tema apremiante que aún no se ha resuelto con éxito. En consecuencia, algunas personas están convencidas de que la energía nuclear no es una opción viable para satisfacer nuestras necesidades energéticas futuras, aunque otros países siguen dependiendo de reactores nucleares para una gran fracción de su energía.

Reactores de agua pesada

El deuterio (² H) absorbe los neutrones de manera mucho menos efectiva que el hidrógeno (¹ H), pero es aproximadamente el doble de efectivo para ralentizar los neutrones. En consecuencia, un reactor nuclear que utiliza D ₂ O en lugar de H ₂ O como moderador es tan eficiente que puede utilizar uranio no enriquecido como combustible. El uso de uranio de menor grado reduce los costos operativos y elimina la necesidad de plantas que produzcan uranio enriquecido. Por el gasto de D ₂ O, sin embargo, solo países como Canadá, que cuenta con abundantes suministros de energía hidroeléctrica para generar D ₂ O por electrólisis, han realizado una inversión importante en reactores de agua pesada.

Reactores Criadores

Un reactor criador es un reactor de fisión nuclear que produce más combustible fisionable del que consume. Esto no viola la primera ley de la termodinámica porque el combustible producido no es lo mismo que el combustible consumido. Bajo bombardeo de neutrones pesados, el isótopo no fisible ²³⁸ U se convierte en ²³⁹ Pu, que puede sufrir fisión:

\ [\ begin {align} _ {92} ^ {238}\ textrm U+\, _0^1\ textrm n &\ fila derecha\, _ {92} ^ {239}\ textrm U\ fila derecha\, _ {93} ^ {239}\ textrm {Np} +\, _ {-1} ^0\ beta
\\ _ {93} ^ {239}\ textrm {Np}\ hspace {8mm} &\ fila derecha\, _ {94} ^ {239}\ textrm {Pu} +\, _ {-1} ^ {0}\ beta
\ final {align}\ etiqueta {20.40}\]

La reacción global es así la conversión de ²³⁸ U no fisionables a ²³⁹ Pu fisionables, que pueden aislarse químicamente y utilizarse para alimentar un nuevo reactor. Una serie análoga de reacciones convierte ²³² Th no fisionables a ²³³ U, las cuales también pueden ser utilizadas como combustible para un reactor nuclear. Por lo general, se requieren alrededor de 8 a 10 años para que un reactor criador produzca el doble de material fisionable de lo que consume, lo que es suficiente para alimentar un reemplazo para el reactor original más un reactor nuevo. Los productos de la fisión de ²³⁹ Pu, sin embargo, tienen semividas sustancialmente más largas que los productos de fisión formados en reactores de agua ligera.

Reactores de fusión nuclear

Aunque las reacciones de fusión nuclear, son termodinámicamente espontáneas, la carga positiva en ambos núcleos da como resultado una gran barrera de energía electrostática a la reacción (recuerde que la espontaneidad termodinámica no está relacionada con la velocidad de reacción). Se requieren temperaturas extraordinariamente altas (aproximadamente 1.0 × 10 ⁸ °C) para superar las repulsiones electrostáticas e iniciar una reacción de fusión. Incluso la reacción más factible, la fusión deuterio-tritio (fusión D—T), requiere una temperatura de aproximadamente 4.0 × 10 ⁷ °C. Alcanzar estas temperaturas y controlar los materiales a fundir son problemas extraordinariamente difíciles, al igual que extraer la energía liberada por la reacción de fusión, porque un reactor de fusión comercial requeriría mantener temperaturas tan altas por largos periodos de tiempo. Actualmente se están explorando varias tecnologías diferentes, entre ellas el uso de campos magnéticos intensos para contener iones en forma de plasma denso y de alta energía a una temperatura lo suficientemente alta como para sostener la fusión (Figura\(\PageIndex{4a}\)). Otro concepto emplea rayos láser enfocados para calentar y comprimir pellets de combustible en explosiones de fusión en miniatura controladas (Figura\(\PageIndex{4b}\)).

Figura\(\PageIndex{4}\): Dos diseños posibles para un reactor de fusión nuclear. Las temperaturas extraordinariamente altas necesarias para iniciar una reacción de fusión nuclear destruirían inmediatamente un contenedor hecho de cualquier material conocido. (a) Una forma de evitar el contacto con las paredes del contenedor es utilizar un plasma de alta energía como combustible. Debido a que el plasma es esencialmente un gas compuesto por partículas ionizadas, se puede confinar usando un campo magnético fuerte con forma de toro (una rosquilla hueca). (b) Otro enfoque de la fusión nuclear es el confinamiento inercial, que utiliza una matriz icosaédrica de potentes láseres para calentar y comprimir una pequeña pastilla de combustible (una mezcla de LiD sólida y LiT) para inducir la fusión.

Las reacciones nucleares como estas se denominan reacciones termonucleares porque se debe invertir una gran cantidad de energía térmica para iniciar la reacción. La cantidad de energía liberada por la reacción, sin embargo, es varios órdenes de magnitud mayor que la energía necesaria para iniciarla. En principio, una reacción de fusión nuclear debería dar como resultado una producción neta significativa de energía. Además, los océanos de la Tierra contienen un suministro esencialmente inagotable tanto de deuterio como de tritio, lo que sugiere que la fusión nuclear podría proporcionar un suministro ilimitado de energía. Desafortunadamente, sin embargo, los requisitos técnicos para una reacción de fusión nuclear exitosa son tan grandes que la generación neta de energía por fusión controlada aún no se ha logrado.

Los usos de los radioisótopos

La radiación nuclear puede dañar las moléculas biológicas, interrumpiendo así funciones normales como la división celular. Debido a que la radiación es particularmente destructiva para las células que se dividen rápidamente, como las células tumorales y las bacterias, se ha utilizado médicamente para tratar el cáncer desde 1904, cuando el radio-226 se utilizó por primera vez para tratar un tumor canceroso. Muchos radioisótopos están ahora disponibles para uso médico, y cada uno tiene ventajas específicas para ciertas aplicaciones.

En la radioterapia moderna, la radiación a menudo es entregada por una fuente plantada dentro del cuerpo. Por ejemplo, diminutas cápsulas que contienen un isótopo como ¹⁹² Ir, recubiertas con una fina capa de platino químicamente inerte, se insertan en la mitad de un tumor que no se puede extirpar quirúrgicamente. Las cápsulas se retiran cuando termina el tratamiento. En algunos casos, los médicos aprovechan la química propia del cuerpo para entregar un radioisótopo a la ubicación deseada. Por ejemplo, las glándulas tiroideas en la parte inferior frontal del cuello son los únicos órganos del cuerpo que utilizan yodo. En consecuencia, el yodo radiactivo es absorbido casi exclusivamente por la tiroides (Figura\(\PageIndex{5a}\)). Así, cuando se inyectan isótopos radiactivos de yodo (¹²⁵ I o ¹³¹ I) en la sangre de un paciente que padece cáncer de tiroides, las glándulas tiroideas filtran el radioisótopo de la sangre y lo concentran en el tejido a destruir. En los casos en que un tumor es quirúrgicamente inaccesible (por ejemplo, cuando se encuentra en lo profundo del cerebro), se utiliza una fuente de radiación externa como una “pistola” de ⁶⁰ Co para apuntar un haz fuertemente enfocado de rayos γ hacia él. Desafortunadamente, la radioterapia daña el tejido sano además del tumor objetivo y produce efectos secundarios graves, como náuseas, pérdida de cabello y un sistema inmunológico debilitado. Si bien la radioterapia generalmente no es una experiencia agradable, en muchos casos es la única opción.

Figura\(\PageIndex{5}\): Imagen Médica y Tratamiento con Radioisótopos. a) El yodo radiactivo se utiliza tanto para obtener imágenes de la tiroides como para tratar el cáncer de tiroides. El yodo-123 o yodo-131 inyectado es absorbido selectivamente por la glándula tiroides, donde se incorpora a la hormona tiroidea: tiroxina. Debido a que el yodo-131 emite partículas β de baja energía que son absorbidas por el tejido circundante, puede usarse para destruir tejido maligno en la tiroides. En contraste, el yodo-123 emite rayos γ de mayor energía que penetran fácilmente en los tejidos, lo que le permite obtener imágenes de la glándula tiroides, como se muestra aquí. b) Algunos compuestos de tecnecio son absorbidos selectivamente por las células cancerosas dentro de los huesos. Las manchas amarillas muestran que un cáncer primario se ha metastatizado (diseminado) a la columna vertebral del paciente (centro inferior) y costillas (centro derecho).

Un segundo uso médico importante de los radioisótopos es la imagen médica, en la que un radioisótopo se localiza temporalmente en un tejido u órgano en particular, donde sus emisiones proporcionan un “mapa” del tejido o del órgano. Las imágenes médicas utilizan radioisótopos que causan poco o ningún daño tisular pero que se detectan fácilmente. Uno de los radioisótopos más importantes para la obtención de imágenes médicas es de ^99m Tc. Dependiendo de la forma química particular en la que se administre, el tecnecio tiende a localizarse en huesos y tejidos blandos, como el corazón o los riñones, que son casi invisibles en las radiografías convencionales (Figura\(\PageIndex{5b}\)). Algunas propiedades de otros radioisótopos utilizados para la obtención de imágenes médicas se enumeran en la Tabla\(\PageIndex{1}\).

Cuadro\(\PageIndex{1}\): Radioisótopos utilizados en imágenes médicas y tratamiento

Isótopo	Vida media	Tejido
^18 F	110 min	cerebro
^24 Na	15 h	sistema circulatorio
^32 P	14 días	ojos, hígado y tumores
^59 Fe	45 días	sangre y bazo
^60 Co	5.3 años	radioterapia externa
^99m Tc	6 h	corazón, tiroides, hígado, riñón, pulmones y esqueleto
^125 I	59.4 días	tiroides, próstata y cerebro
^131 I	8 días	tiroides
^133 Xe	5 días	pulmones
^201 Tl	3 días	corazón

Debido a que los rayos γ producidos por isótopos como ¹³¹ I y ^99m Tc se emiten aleatoriamente en todas las direcciones, es imposible lograr altos niveles de resolución en imágenes que utilizan dichos isótopos. Sin embargo, se pueden obtener imágenes tridimensionales notablemente detalladas mediante una técnica de imagen llamada tomografía por emisión de positrones (PET). La técnica utiliza radioisótopos que se desintegran por emisión de positrones, y el positrón resultante es aniquilado cuando choca con un electrón en la materia circundante. En el proceso de aniquilación, ambas partículas se convierten en energía en forma de dos rayos γ que se emiten simultáneamente y a 180° entre sí:

\[_{+1}^0\beta +\,_{-1}^0\textrm e \rightarrow 2_0^0\gamma\label{20.41}\]

Con PET, las moléculas biológicas que han sido “etiquetadas” con un isótopo emisor de positrones como ¹⁸ F o ¹¹ C pueden usarse para sondear las funciones de órganos como el cerebro.

Otro uso importante de la radiación ionizante relacionado con la salud es la irradiación de alimentos, una forma efectiva de matar bacterias como la Salmonella en pollo y huevos y cepas potencialmente letales de Escherichia coli en carne de res. Colectivamente, dichos organismos causan casi 3 millones de casos de intoxicación alimentaria anualmente en Estados Unidos, lo que resulta en cientos de muertes. La figura\(\PageIndex{6}\) muestra cómo la irradiación extiende drásticamente la vida útil de almacenamiento de alimentos como las fresas. Si bien las autoridades de salud de Estados Unidos solo han dado una aprobación limitada a esta técnica, el creciente número de enfermedades causadas por bacterias resistentes a los antibióticos está aumentando la presión para ampliar el alcance de la irradiación de los alimentos.

Figura\(\PageIndex{6}\): Conservación de Fresas con Radiación Ionizante. Frutas como las fresas pueden ser irradiadas por rayos γ de alta energía para matar bacterias y prolongar su vida de almacenamiento. Las fresas no irradiadas de la izquierda se estropean completamente después de 15 días de almacenamiento, pero las fresas irradiadas de la derecha no muestran signos visibles de deterioro en las mismas condiciones.

Uno de los efectos más inusuales de los radioisótopos es en odontología. Debido a que los esmaltes dentales contienen un mineral llamado feldespato (KalSi ₃ O ₈, que también se encuentra en las rocas de granito), los dientes contienen una pequeña cantidad de radiactivos naturales ⁴⁰ K. La radiación causada por la descomposición de ⁴⁰ K da como resultado la emisión de luz ( fluorescencia), lo que da el aspecto altamente deseado de “blanco nacarado” asociado con dientes sanos.

En señal de lo importante que se ha vuelto la medicina nuclear en el diagnóstico y tratamiento de enfermedades, la comunidad médica se ha alarmado ante la escasez global de ⁹⁹ Tc, radioisótopo utilizado en más de 30 millones de procedimientos al año en todo el mundo. Dos reactores que producen 60% de los ⁹⁹ Mo radiactivos del mundo, que decae a ⁹⁹ Tc, están operando más allá de sus expectativas de vida previstas. Además, debido a que la mayoría de los reactores que producen ⁹⁹ Mo utilizan uranio apto para armas (²³⁵ U), que se desintegra a 99Mo durante la fisión, los gobiernos están trabajando para eliminar gradualmente los usos civiles de la tecnología para producir ⁹⁹ Mo debido a la preocupación de que la tecnología pueda ser utilizada para producir armas nucleares. Actualmente, los ingenieros están enfocados en cómo hacer isótopos médicos clave con otras alternativas que no requieren fisión. Una opción prometedora es eliminar un neutrón de ¹⁰⁰ Mo, un isótopo estable que constituye aproximadamente 10% del molibdeno natural, transmutándolo a ⁹⁹ Mo.

Además de los usos médicos de los radioisótopos, los radioisótopos tienen literalmente cientos de otros usos. Por ejemplo, los detectores de humo contienen una pequeña cantidad de ²⁴¹ Am, que ioniza el aire en el detector para que una corriente eléctrica pueda fluir a través de él. Las partículas de humo reducen el número de partículas ionizadas y disminuyen la corriente eléctrica, lo que activa una alarma. Otra aplicación es la “go-devil” utilizada para detectar fugas en tuberías largas. Es un detector de radiación empaquetado que se inserta en una tubería y es propulsado a través de la tubería por el líquido que fluye. Fuentes de ⁶⁰ Co están unidas a la tubería a intervalos regulares; a medida que el detector viaja a lo largo de la tubería, envía una señal de radio cada vez que pasa por una fuente. Cuando una fuga masiva hace que el diablo se detenga, los equipos de reparación saben de inmediato qué sección de la tubería está dañada. Por último, se utilizan sustancias radiactivas en calibres que miden y controlan el espesor de láminas y películas. Como se muestra en la Figura\(\PageIndex{7}\), los medidores de espesor se basan en la absorción de partículas β (por papel, plástico y láminas metálicas muy delgadas) o rayos γ (para láminas metálicas más gruesas); la cantidad de radiación absorbida se puede medir con precisión y es directamente proporcional al grosor del material.

Figura\(\PageIndex{7}\): Uso de Radiación para Controlar el Grosor de un Material. Debido a que la cantidad de radiación absorbida por un material es proporcional a su grosor, la radiación se puede usar para controlar el grosor de la película plástica, la lámina de estaño o el papel. Como se muestra, se coloca un emisor beta en un lado del material que se está produciendo y un detector en el otro. Un incremento en la cantidad de radiación que llega al detector indica una disminución en el espesor del material y viceversa. La salida del detector se puede utilizar así para controlar el espesor del material.

Resumen

Todas las aplicaciones prácticas de la energía nuclear se han basado en reacciones de fisión nuclear, que las centrales nucleares utilizan para generar electricidad. En las centrales nucleares, las reacciones nucleares generan electricidad. Los reactores de agua ligera utilizan uranio enriquecido como combustible. Incluyen barras de combustible, un moderador, barras de control y un potente sistema de enfriamiento para absorber el calor generado en el núcleo del reactor. Los reactores de agua pesada utilizan uranio no enriquecido como combustible porque utilizan D ₂ O como moderador, lo que dispersa y ralentiza los neutrones de manera mucho más efectiva que H ₂ O. Un reactor criador produce más combustible fisionable del que consume. Un reactor de fusión nuclear requiere temperaturas muy altas. Las reacciones de fusión son reacciones termonucleares porque requieren altas temperaturas para su inicio. Los radioisótopos se utilizan tanto en radioterapia como en imágenes médicas.

Colaboradores

• Anonymous