Radiactividad de la ciencia nuclear: energía, radio isótopos, usos y medidas de seguridad
¡Lea este artículo para aprender sobre la energía, los isótopos de radio, los usos, las medidas de seguridad y la radioactividad de la ciencia nuclear!
'Nuclear' significa algo relacionado con la estructura o el comportamiento de los átomos y los núcleos de los átomos.
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La ciencia y la tecnología nucleares son un campo de estudio avanzado, una parte del escenario de "alta tecnología", en el que la energía liberada por los núcleos de los átomos, cuando se someten a ciertos cambios, es de utilidad no solo como fuente de electricidad sino que tiene Aplicaciones en agricultura, industria y medicina.
Radioactividad:
El hidrógeno ordinario tiene un protón y no tiene neutrones, por lo que tiene el número de masa 1. El hidrógeno pesado, o deuterio, tiene el número de masa 2, porque tiene un protón y un neutrón.
Una forma radioactiva de hidrógeno, tritio, tiene masa número 3. Tiene un protón y dos neutrones. El hidrógeno ordinario, el deuterio y el tritio son isótopos del hidrógeno. Todos los isótopos de un elemento tienen las mismas propiedades químicas. El núcleo de uranio tiene 92 protones.
El isótopo más abundante de uranio tiene 146 neutrones. Su número de masa es, por lo tanto, 238 (la suma de 92 y 146). Los científicos llaman a este isótopo uranio 238 o U-238. El isótopo de uranio que casi todos los reactores nucleares utilizan como combustible como 143 neutrones, por lo que su número de masa es 235. Este isótopo se llama uranio 235 o U-235.
Una reacción nuclear implica cambios en la estructura de un núcleo. Como resultado de tales cambios, el núcleo gana o pierde uno o más neutrones o protones. Por lo tanto, se transforma en el núcleo de un isótopo o elemento diferente. Si el núcleo se transforma en el núcleo de un elemento diferente, el cambio se llama transmutación.
La radiactividad es el proceso por el cual los átomos emiten radiación, o partículas atómicas y rayos de alta energía, desde sus núcleos (núcleos). De los más de 2, 300 tipos diferentes de átomos conocidos, más de 2, 000 son radiactivos. Sólo unos 50 tipos radiactivos existen en la naturaleza. Los científicos hacen el resto artificialmente.
Antoine Henri Becquerel de Francia descubrió la radioactividad natural en 1896. Encontró que los compuestos de uranio emitían radiación que afectaba una placa fotográfica incluso cuando estaban envueltos en papel negro; También ionizaron un gas. Poco después, Marie Curie descubrió una sustancia aún más fuertemente radioactiva, a saber, el radio.
Todo elemento con un número atómico mayor que el del cable (82) es radioactivo. Los núcleos de algunos de estos elementos pueden descomponerse al dividirse en dos: esto es fisión espontánea.
La radiactividad natural ocurre en nueve de los elementos más ligeros también. De estos, los más importantes son 14 6 C (carbono) y 40 19 K (potasio). El isótopo probablemente se formó cuando se creó la tierra.
Su existencia actual se debe a su larga vida media de 1, 25 x 10 9 años; Aunque solo constituye el 0.01% del potasio natural, su presencia hace que el tejido vivo sea apreciablemente radioactivo. Puede descomponerse ya sea por emisión de b o por captura de electrones. Se produce continuamente a partir de la acción de los neutrones en los rayos cósmicos sobre el nitrógeno atmosférico, por una reacción nuclear.
De los elementos de la séptima fila, solo cinco son de naturaleza redonda; radio, actinio, torio, protactinio y uranio.
Emisión de radiación:
Diferentes formas de radiación se originan en los núcleos de los átomos radiactivos. Hay tres tipos de radiación radiactiva: partículas alfa, que fueron identificadas por primera vez por Becquerel; rayos beta; identificado por Ernest Rutherford de Nueva Zelanda; y rayos gamma, identificados por Marie y Pierre Curie de Francia. La emisión de rayos alfa o beta causa transmutación, pero la radiación gamma no produce transformación.
Las partículas alfa tienen una carga eléctrica positiva. Consisten en dos protones y dos neutrones, y son idénticos a los núcleos de los átomos de helio. Las partículas alfa se emiten con altas energías, pero pierden energía rápidamente cuando pasan a través de la materia. Estos son detenidos por una hoja gruesa de papel; en el aire tienen un rango de unos pocos centímetros, y eventualmente se ponen en reposo por colisiones con moléculas de aire.
Provocan una ionización intensa en un gas (al atraer electrones de sus moléculas) y son desviados por campos magnéticos eléctricos y muy fuertes. Todas las partículas alfa emitidas por una sustancia radiactiva particular tienen la misma velocidad, aproximadamente una vigésima parte de la velocidad de la luz. El americio emite solo partículas alfa.
La radiación alfa se produce en 238 U, un isótopo de uranio. Después de perder una partícula alfa, el núcleo tiene 90 protones y 144 neutrones. El átomo con número atómico 90 ya no es uranio, sino torio. El isótopo formado es 234 90 Th.
Los rayos beta son electrones. Algunos núcleos radiactivos emiten electrones ordinarios, que tienen cargas eléctricas negativas. Pero otros emiten positrones, o electrones cargados positivamente. Por ejemplo, un isótopo de carbono, 14 6 C, emite electrones negativos. El carbono 14 tiene ocho neutrones y seis protones.
Cuando su núcleo se transforma, un neutrón se transforma en un protón, un electrón y un antineutrino. Después de la emisión del electrón y el antineutrino, el núcleo contiene siete protones y siete neutrones. Su número de masa sigue siendo el mismo, pero su número atómico 7 es nitrógeno. Por lo tanto, 14 6 C cambia a 14 7 N después de la emisión de una partícula beta negativa.
Un isótopo de carbono, 11 6 C, emite positrones. El carbono 11 tiene seis protones y cinco neutrones. Cuando emite un positrón, un protón se transforma en neutrón, positrón y neutrino. Después de la emisión del positrón y el neutrino, el núcleo contiene cinco protones y seis neutrones. El número de masa sigue siendo el mismo, pero el número atómico se reduce en uno.
El elemento del número atómico 5 es el boro. Por lo tanto, 11 6 C se convierte en 11 5 B después de la emisión de un positrón y un neutrino. El estroncio emite partículas beta solamente. Las partículas beta viajan con casi la velocidad de la luz. Algunos pueden penetrar 13 milímetros de madera.
La radiación gamma puede ocurrir de varias maneras. En un proceso, la partícula alfa o beta emitida por un núcleo no arrastra toda la energía disponible. Después de la emisión, el núcleo tiene más energía que en su estado más estable. Se libra del exceso emitiendo rayos gamma. Los rayos gamma no tienen carga eléctrica. Son similares a los rayos X, pero generalmente tienen una longitud de onda más corta.
Mientras que los rayos X se deben a cambios de energía fuera de los núcleos atómicos, al igual que todas las formas de radiación electromagnética, los rayos gamma, como las partículas alfa y beta, provienen de los núcleos atómicos. Estos rayos son fotones (partículas de radiación electromagnética) y viajan con la velocidad de la luz. Son mucho más penetrantes que las partículas alfa y beta.
El radio emite rayos alfa, beta y gamma. El cobalto es una fuente pura de gamma.
Desintegración radioactiva y vida media:
La descomposición radioactiva es el proceso por el cual un núcleo se transforma espontáneamente (naturalmente) en el núcleo de otro isótopo o elemento. El proceso libera energía principalmente en forma de radiación nuclear. El proceso de decaimiento ocurre por su propia cuenta y no puede ser controlado; no se ve afectado por los cambios de temperatura, y ocurre si el material es puro o combinado químicamente con otros elementos.
El uranio, el torio y varios otros elementos naturales se descomponen espontáneamente, por lo que se agregan a la radiación natural, o de fondo, que siempre está presente en la tierra. Los reactores nucleares producen desintegración radiactiva artificialmente. La radiación nuclear representa aproximadamente el 10 por ciento de la energía producida en un reactor nuclear.
Los científicos miden la descomposición radioactiva en unidades de tiempo llamadas vidas medias. Una vida media es igual al tiempo requerido para que la mitad de los átomos de un elemento radioactivo o isótopo particular se descompongan en otro elemento o isótopo.
El número de partículas emitidas en un período de tiempo dado por una muestra de un radioisótopo (isótopo radiactivo) es igual a un porcentaje definido del número de átomos en la muestra. Por ejemplo, en cualquier muestra de 11 C, el 3.5 por ciento de los átomos se descomponen cada minuto. Al cabo de un minuto, solo quedará el 96, 5% de la muestra.
Al final de un segundo minuto, solo quedará el 96.5 por ciento del 96.5 por ciento anterior, o el 93.1 por ciento del monto original. Al final de los 20 minutos, solo quedará la mitad de la cantidad original. Esto demuestra que la vida media de 11 C es de 20 minutos. Esta extinción de una sustancia se llama desintegración radiactiva o transformación nuclear.
Diferentes radioisótopos tienen diferentes vidas medias. Pueden ir desde fracciones de segundo hasta miles de millones de años. Con unas pocas excepciones, el único radioisótopo encontrado en la naturaleza en cantidades detectables son aquellos con vidas medias de muchos millones o incluso miles de millones de años. Los científicos creen que cuando se formaron los elementos que conformaban la tierra, todos los isótopos posibles estaban presentes.
Generalmente, aquellos con vidas medias cortas han decaído en cantidades indetectables pequeñas. Pero algunos radioisótopos de corta duración que ocurren naturalmente se han formado por la decadencia del radioisótopo de larga duración. Por ejemplo, el torio-234, que tiene una vida corta, se produce a partir del uranio, que tiene una vida media larga.
Cientos de radioisótopos de vida corta se producen artificialmente bombardeando núcleos con neutrones y otras partículas nucleares rápidas en reactores nucleares. Cuando un neutrón u otra partícula golpea el núcleo de un átomo, es probable que el núcleo lo capture. En algunos casos, un núcleo captura una partícula e inmediatamente emite algunas de sus propias partículas.
Energía nuclear:
La energía nuclear es energía derivada de reacciones nucleares, ya sea por la fisión de núcleos pesados en los más ligeros o por fusión de núcleos ligeros en los más pesados. En principio, la energía de enlace de un sistema de partículas que forman un núcleo atómico es la energía nuclear.
Es el resultado de cambios en el núcleo de los átomos. Los científicos e ingenieros han encontrado muchos usos para esta energía, especialmente en la producción de electricidad. Pero aún no tienen la capacidad de hacer pleno uso de la energía nuclear. Si la energía nuclear estuviera totalmente desarrollada, podría suministrar toda la electricidad del mundo durante millones de años.
Un núcleo constituye la mayor parte de la masa de cada átomo y este núcleo se mantiene unido por una fuerza extremadamente poderosa. Una gran cantidad de energía se concentra en el núcleo debido a esta fuerza.
Los científicos lanzaron por primera vez energía nuclear a gran escala en la Universidad de Chicago en 1942, tres años después de que comenzara la Segunda Guerra Mundial. Este logro llevó al desarrollo de la bomba atómica. Es desde 1945 que la energía nuclear se ha utilizado para fines pacíficos, como la producción de electricidad.
Einstein señaló que si la energía de un cuerpo cambia en una cantidad E, su masa cambia en una cantidad m dada por la ecuación, E = mc 2 . La implicación es que cualquier reacción en la que hay una disminución de masa, llamada defecto de masa, es una fuente de energía.
Los cambios de energía y masa en los cambios físicos y químicos son muy pequeños; los de algunas reacciones nucleares, como la desintegración radiactiva, son millones de veces mayores. La suma de las masas de los productos de una reacción nuclear es menor que la suma de las masas de las partículas que reaccionan. Esta masa perdida se convierte en energía.
Fisión nuclear:
La fisión nuclear es el proceso mediante el cual un núcleo atómico se divide en dos o más fragmentos principales con la emisión de dos o tres neutrones. Se acompaña de la liberación de energía en forma de radiación gamma y la energía cinética de las partículas emitidas.
La fisión se produce espontáneamente en los núcleos de uranio-235, el principal combustible utilizado en los reactores nucleares. Sin embargo, el proceso también puede inducirse bombardeando núcleos con neutrones porque un núcleo que ha absorbido un neutrón se vuelve inestable y pronto se divide.
El defecto de masa es grande y aparece principalmente como ke de los fragmentos de fisión. Estos se separan a gran velocidad, chocando con los átomos circundantes y elevando su ke promedio, es decir, su temperatura. Por lo tanto, se produce calor.
Si los neutrones de fisión dividen otros núcleos de uranio-235, se establece una reacción en cadena. En la práctica, algunos neutrones de fisión se pierden al escapar de la superficie del uranio antes de que esto suceda. La proporción de aquellos que escapan a los que causan la fisión disminuye a medida que aumenta la masa de uranio-235.
Esto debe exceder cierta masa crítica para que comience una reacción en cadena. La masa crítica es, por lo tanto, la masa mínima de material fisible que puede sufrir una reacción en cadena continua. Por encima de la masa crítica, la reacción puede acelerar en una explosión nuclear si no se controla.
El isótopo U-238 sería un combustible de reactor nuclear ideal porque es abundante en la naturaleza. Pero los núcleos U-238 usualmente absorben neutrones libres sin fisión. Un neutrón absorbido simplemente se convierte en parte del núcleo. El escaso isótopo de uranio U-235 es el único material natural que los reactores nucleares pueden usar para producir una reacción en cadena. El uranio con una cantidad abundante de U-235 se llama uranio enriquecido.
Reactor nuclear:
Un reactor nuclear es el componente central de una central nuclear que genera energía nuclear en condiciones controladas para su uso como fuente de energía eléctrica.
Los reactores de potencia generalmente constan de tres partes principales. Son (1) el reactor, o la presión, el recipiente; (2) el núcleo; y (3) varillas de control.
El recipiente del reactor contiene las otras partes del reactor. Se instala cerca de la base del edificio del reactor. El recipiente tiene paredes de acero de al menos 15 centímetros de espesor. Los tubos de acero conducen dentro y fuera del recipiente para transportar agua y vapor.
El núcleo contiene el combustible nuclear y también lo es la parte del reactor donde ocurre la fisión. El núcleo está cerca del fondo del recipiente del reactor. Consiste principalmente en el combustible nuclear mantenido entre una placa de soporte superior e inferior.
Las barras de control son barras metálicas largas que contienen elementos tales como boro o cadmio. Estos elementos absorben neutrones libres y, por lo tanto, ayudan a controlar una reacción en cadena. Las barras de control se insertan en el núcleo o se retiran para ralentizar o acelerar una reacción en cadena.
Moderadores y refrigerantes:
Las operaciones del reactor también dependen de sustancias llamadas moderadores y refrigerantes. Un moderador es una sustancia, como el agua o el carbono, que frena los neutrones que pasan a través de ella. Los reactores requieren un moderador porque los neutrones liberados por la fisión son neutrones rápidos. Pero se necesitan neutrones lentos para causar una reacción en cadena en la mezcla de U-238 y U-235 que los reactores usan como combustible.
Un refrigerante es una sustancia, como el agua o el dióxido de carbono, que conduce bien el calor pero no absorbe fácilmente los neutrones libres. El refrigerante transporta el calor de la reacción en cadena. Al hacerlo, los servidores de refrigerante evitan que el núcleo del reactor se derrita y produzcan vapor.
Muchos reactores de potencia son reactores de agua liviana, que utilizan agua ligera (ordinaria) como moderador y refrigerante. Los reactores de agua pesada utilizan óxido de deuterio o agua pesada, tanto como moderador como como refrigerante. El grafito es otro moderador. Los reactores indios (excepto el de Tarapur) usan agua pesada.
Preparación de combustible:
El uranio utilizado en los reactores de aguas ligeras debe enriquecerse, es decir, el porcentaje de U-235 debe aumentarse. Los neutrones libres tienen más posibilidades de golpear un núcleo U-235.
Producción de vapor:
El reactor alcanza la criticidad cuando una reacción en cadena en el combustible ha sido inducida para proporcionar, en promedio, una reacción más por cada reacción de fisión.
Los reactores de agua ligera son de dos tipos principales. Un tipo, el reactor de agua a presión, produce vapor fuera del recipiente del reactor. El otro tipo, el reactor de agua en ebullición, produce vapor dentro del recipiente.
La mayoría de las plantas nucleares utilizan reactores de agua a presión. Estos reactores calientan el agua del moderador en el núcleo bajo una presión extremadamente alta. La presión permite que el agua se caliente más allá de su punto de ebullición normal de 100 ° C sin que realmente hierva. La reacción en cadena calienta el agua a aproximadamente 320 ° C. Las tuberías transportan este agua extremadamente caliente, aunque no hirviendo, a los generadores de vapor que se encuentran fuera de los reactores. El calor del agua a presión hierve el agua en el generador de vapor y produce vapor.
En un reactor de agua en ebullición, la reacción en cadena hierve el agua del moderador en el núcleo. Las tuberías transportan el vapor producido desde el reactor hasta las turbinas de la planta.
En la India, el tipo de reactor estándar es el reactor de agua pesada presurizada.
Las barras de combustible deben retirarse y reprocesarse de vez en cuando para separar los productos de desechos radiactivos y pequeñas cantidades de plutonio-239 del uranio no utilizado. El plutonio-239 se produce en el reactor cuando el uranio-238 absorbe los neutrones de fisión rápida; Al igual que el uranio-235, sufre fisión y se utiliza en reactores de reproducción rápida y para fabricar armas nucleares.
Reactores reproductores experimentales:
El tipo más importante de obtentor experimental utiliza el abundante isótopo de uranio U-238 como combustible básico. El reactor cambia el U-238 en el isótopo plutonio 239 (Pu-239) por desintegración radioactiva. Al igual que el U-235, el Pu-239 puede crear una reacción en cadena y, por lo tanto, puede usarse para la producción de energía.
Otro criador utiliza el elemento natural torio como combustible básico. Cambia el torio en el isótopo U-233, que también puede producir una reacción en cadena. India ha desarrollado un reactor reproductor experimental en Kalpakkam, Chennai, que utiliza combustible de carburo mixto y sodio como refrigerante.
Fusión nuclear:
La fusión nuclear ocurre cuando dos núcleos ligeros se fusionan (se combinan) y forman un núcleo de un elemento más pesado. Los productos de la fusión pesan menos que los pesos combinados de los núcleos originales. Por lo tanto, la materia perdida se ha transformado en energía. Las reacciones de fusión que producen grandes cantidades de energía solo pueden crearse mediante calor extremadamente intenso. Tales reacciones son llamadas reacciones termonucleares. Las reacciones termonucleares producen la energía tanto del sol como de la bomba de hidrógeno.
Una reacción termonuclear puede ocurrir solo en plasma, una forma especial de materia que tiene electrones libres y núcleos libres. Normalmente, los núcleos se repelen entre sí.
Pero si un plasma que contiene núcleos atómicos ligeros se calienta muchos millones de grados, los núcleos comienzan a moverse tan rápido que se rompen a través de las barreras eléctricas y se fusionan entre sí.
Problemas de control de fusión:
Los científicos aún no han logrado aprovechar la energía de la fusión para producir energía. En sus experimentos de fusión, los científicos generalmente trabajan con plasmas que están hechos de uno o dos isótopos de hidrógeno. El deuterio se considera un combustible termonuclear ideal porque se puede obtener de agua ordinaria. Un peso dado de deuterio puede suministrar aproximadamente cuatro veces más energía que el mismo peso de uranio.
Para producir una reacción termonuclear controlada, un plasma de deuterio o tritio o de ambos isótopos debe calentarse muchos millones de grados. Los científicos de Bui aún no han desarrollado un recipiente que pueda contener plasma supercaliente.
La mayoría de los reactores de fusión experimentales están diseñados para contener plasma supercaliente en "botellas magnéticas" torcidas en varias formas similares a bobinas. Las paredes de las botellas están hechas de cobre o algún otro metal. Las paredes están rodeadas por un imán.
Una corriente eléctrica pasa a través del imán y crea un campo magnético en el interior de las paredes. El magnetismo empuja el plasma lejos de las paredes y hacia el centro de cada bobina. Esta técnica se denomina confinamiento magnético. Todos los dispositivos de fusión desarrollados hasta ahora; Sin embargo, usa mucha más energía de la que crean.
El reactor de fusión más exitoso, llamado tokamak, fue diseñado originalmente por científicos rusos. Tokamak significa fuerte corriente en ruso. Al igual que otros reactores de fusión experimentales, un tokamak utiliza un campo magnético para empujar el plasma lejos de sus paredes conteniendo. También pasa una fuerte corriente a través del plasma. La corriente actúa con el campo magnético para ayudar a confinar el plasma. India ha desarrollado un tokamak Aditya, con fines de investigación en el Instituto de Investigación de Plasma, Ahmedabad.
Otro método experimental para lograr la fusión utiliza rayos de láser para comprimir y calentar bolitas diminutas de deuterio y tritio congelados. Este proceso crea explosiones termonucleares en miniatura que liberan energía antes de que los gránulos alcancen las paredes de contención. Pero todos los experimentos con este método aún no han producido cantidades utilizables de energía.
Armas nucleares:
Las armas nucleares pueden ser del tipo de fisión (armas atómicas) o del tipo de fusión (armas termonucleares o de hidrógeno).
Las armas de fisión obtienen su poder destructivo de las divisiones de los núcleos atómicos. Solo se sabe que tres tipos de átomos son adecuados para fisionarse en tales armas. Estos átomos son de los isótopos de uranio (U) U-235 y U-238 y del isótopo de plutonio (Pu), Pu-239. Una reacción en cadena no controlada y acelerada ocurre cuando, por ejemplo, dos piezas de U-235 se juntan y exceden la masa crítica.
Las armas termonucleares obtienen su poder de los núcleos atómicos de fusión bajo un calor intenso. Los núcleos fusionados en las armas termonucleares son de isótopos de hidrógeno, deuterio y tritio. Las reacciones de fusión requieren temperaturas iguales o superiores a las que se encuentran en el núcleo del sol.
La única forma práctica de alcanzar dicha temperatura es mediante una explosión de fisión. Por lo tanto, las explosiones termonucleares son activadas por un dispositivo de fisión de tipo implosión. (En el método de implosión, una masa subcrítica se hace supercrítica al comprimirla en un volumen más pequeño).
Las primeras armas nucleares fueron dos bombas de fisión usadas por los Estados Unidos durante la Segunda Guerra Mundial (1939-1945). En la guerra, uno fue derribado en cada una de las ciudades japonesas de Hiroshima y Nagasaki.
Los dispositivos explosivos nucleares pueden tener una amplia variedad de rendimientos. Algunas bombas antiguas tenían rendimientos de aproximadamente 20 megatones, o 1, 540 bombas de Hiroshima. Un megatón es la cantidad de energía liberada por 907, 000 toneladas métricas de TNT. Hoy en día, debido a la mayor precisión de los misiles, la mayoría de los dispositivos nucleares tienen rendimientos de menos de 1 megatón.
Radioisótopos:
Diferentes formas de radiación se originan en los núcleos de los átomos radiactivos. Hay tres tipos de radiación radiactiva: partículas alfa, que fueron identificadas por primera vez por Becquerel; Rayos beta, identificados por Ernest Rutherford; y rayos gamma, identificados por Marie y Pierre Curie. La emisión de rayos alfa o beta causa transmutación, pero la radiación gamma no produce transformación.
Un elemento puede transformarse en otro artificialmente. Todo el radioisótopo artificial se produce al hacer que los isótopos estables sean radiactivos, es decir, inestables, sus núcleos se rompen para liberar partículas pequeñas y energía (radioactividad). Todo elemento con un número atómico mayor que el del plomo (82) es radioactivo.
Los radioisótopos artificiales pueden producirse bombardeando átomos con partículas y rayos emitidos por elementos radiactivos en un reactor nuclear. También pueden producirse rompiendo átomos en aceleradores de partículas como el ciclotrón. El hecho de que los materiales radiactivos puedan ser detectados por su radiación los hace útiles en muchos campos.
Los isótopos radiactivos se utilizan eficazmente como marcadores para fines de diagnóstico en medicina. El arsénico-74 se utiliza para detectar tumores. El sodio-24 se usa para detectar coágulos de sangre en el sistema circulatorio. El yodo-131 (1-131) se usa para determinar la actividad de la glándula tiroides. El cobalto-60 se utiliza en el tratamiento del cáncer; también en uso son iridio-192, y cesio-137.
La producción de radioisótopos en India comenzó en 1956 con la puesta en servicio del reactor de investigación Apsara en Trombay. La capacidad de producción de radioisótopos se incrementó en 1963 cuando los 40MWt Cirus comenzaron a funcionar en Trombay. En 1985, con el funcionamiento de Dhruva por parte de BARC, India se convirtió en el principal productor de un amplio espectro de radioisótopos.
Los reactores de investigación en Trombay producen una variedad de radioisótopos para diversos usos. Los reactores de potencia también están equipados para producir radioisótopos de cobalto-60.
El ciclotrón de energía variable en VECC también se utiliza para la fabricación de radioisótopos, que se procesan para aplicaciones médicas. Los productos y servicios basados en radioisótopos y radiación ofrecidos por DAE a través de BARC y BRIT incluyen fuentes de radio y equipos de radiografía industrial; tecnologías de radiotrazadores en detección de fugas, movimiento de sedimentos y aplicaciones en hidrología; Procesamiento de radiación, polimerización por radiación, salinidad del suelo y otros.
A BRIT se le ha encomendado la responsabilidad de procesar una variedad de radioisótopos y sus productos derivados y el suministro de equipos de radiografía industrial y equipos de irradiación gamma para aplicaciones de esta tecnología.
El Centro de Medicina de Radiación (RMC) de BARC en Mumbai, un centro de primer nivel en el país en el campo del diagnóstico por radio y la radioterapia, es un centro de referencia regional de la Organización Mundial de la Salud (OMS) para el sudeste de Asia.
Las actividades del centro cubren los campos de la medicina nuclear y servicios afines, el diagnóstico y el tratamiento clínico, el desarrollo interno de radiofármacos, la tecnología RIA para las hormonas tiroideas y el antígeno y anticuerpos tuberculosos, etc.
Los radioisótopos para aplicaciones médicas también se fabrican utilizando el ciclotrón de energía variable en Calcuta. El centro regional de medicina radiológica (RRMC) cumple con los requisitos de radiodiagnóstico y radioterapia de la región oriental del país. CAT en Indore ha desarrollado láseres para aplicaciones médicas.
En la India, la radiación ha estado en uso durante décadas para la esterilización de productos médicos. Una planta comercial de esterilización por radiación (ISOMED) en Trombay brinda servicios de esterilización a la industria médica. Un gran laboratorio de radiofármacos llamado ISOPHARM se estableció en Vashi, Mumbai.
Plantas similares a Isomed han estado trabajando en Bengaluru, Nueva Delhi y Jodhpur. Para uso en bancos de sangre y hospitales, BRIT ha desarrollado un equipo de irradiador de sangre que es un importante sustituto de la importación.
Usos de los radioisótopos:
En la industria, los rayos gamma se pueden usar para examinar los moldes metálicos o las soldaduras en los oleoductos para detectar puntos débiles. Los rayos pasan a través del metal y oscurecen una película fotográfica en lugares opuestos a los puntos débiles. Los fabricantes pueden colocar un radioisótopo que emita partículas beta sobre una hoja de material.
Un detector de partículas beta en el otro lado mide la fuerza de las radiaciones que llegan. Si el espesor de la lámina aumenta, menos partículas alcanzan el detector. El detector puede controlar los rodillos y mantener la hoja en los espesores deseados. La radiación gamma se puede usar en el control de plagas, especialmente en almacenes de ingrain. Los alimentos irradiados tienen una vida útil más larga.
En la investigación, los científicos usan los radioisótopos como marcadores para determinar cómo actúan los químicos en los cuerpos de las plantas y los animales. Todos los isótopos de un elemento son químicamente iguales, por lo que el radioisótopo se puede utilizar de la misma manera que los isótopos ordinarios.
Por ejemplo, para rastrear el curso del fósforo en una planta, un botánico puede mezclar fósforo radiactivo con el fósforo ordinario. Para saber cuándo el fósforo alcanza una hoja, puede colocar un contador Geiger, que detecta la radiactividad, en la hoja. Para encontrar dónde se aloja el fósforo en la hoja, él puede colocar la hoja en una placa fotográfica. En la placa desarrollada, llamada autorradiografía, las regiones oscuras muestran la posición del radioisótopo.
En medicina:
El uso de radioisótopos es parte de una especialidad llamada medicina nuclear. El uso principal de los radioisótopos es estudiar la función de varios órganos del cuerpo. Para lograr esto, un médico administra un radioisótopo adherido a una sustancia portadora. La sustancia portadora se acumula en el órgano que el médico quiere estudiar.
Por ejemplo, si el médico desea estudiar la función renal de un paciente, se le unirá un radioisótopo a una sustancia portadora que se acumula en los riñones. Cuando el radioisótopo se descompone, emite rayos gamma. Algunos de los rayos son captados por un dispositivo llamado escáner. El médico "lee" la imagen en el escáner para determinar si los riñones funcionan correctamente.
Los radioisótopos también se usan para tratar el cáncer. La radiación en grandes dosis destruye los tejidos vivos, especialmente las células en división. Debido a que las células cancerosas se dividen con más frecuencia que las células normales, la radiación destruye más células cancerosas que las normales. Un médico puede aprovechar este hecho administrando un radioisótopo que se acumula en un órgano canceroso.
Por ejemplo, un radioisótopo de yodo, 1-131 puede usarse para tratar el cáncer de la glándula tiroides, porque esta glándula acumula yodo. A medida que el yodo radioactivo se transforma, emite una radiación que destruye las células cancerosas. Cobalto-60 también se utiliza en el tratamiento del cáncer. El arsénico 74 se emplea para detectar tumores. Los coágulos de sangre en el sistema circulatorio están localizados por Sodium-24.
En agricultura:
Los radioisótopos se han utilizado para promover la mutación genética natural en las plantas para acelerar la reproducción o para desarrollar plantas con nuevas características. La eficiencia de los fertilizantes también se puede estudiar con radioisótopos. BARC tiene un programa para el desarrollo y la producción de biomoléculas marcadas con fósforo-32 para ayudar a la investigación en ingeniería genética, tecnología de enzimas y áreas relacionadas con la energía.
Los isótopos se utilizan para estudiar la recarga de aguas subterráneas, las filtraciones en las presas y los sistemas de canales, la intrusión de agua de mar en los acuíferos costeros.
Citas Radiactivas:
La datación por radiocarbono es un proceso utilizado para determinar la edad de un objeto antiguo al medir su contenido de radiocarbono. Esta técnica fue desarrollada a fines de la década de 1940 por Willard F. Libby, un químico estadounidense.
Los átomos de radiocarbono, como todas las sustancias radiactivas, se descomponen a una velocidad exacta y uniforme. La mitad del radiocarbono desaparece después de unos 5.700 años. Por lo tanto, el radiocarbono tiene una vida media de ese período de tiempo.
Después de unos 11.400 años, queda un cuarto de la cantidad original de radiocarbono. Después de otros 5.700 años, solo queda un octavo, y así sucesivamente.
El radiocarbono en los tejidos de un organismo vivo se descompone extremadamente lentamente, pero se renueva continuamente mientras el organismo viva. Después de que el organismo muere, ya no absorbe aire o alimentos, por lo que ya no absorbe el radiocarbono. El radiocarbono que ya está en los tejidos continúa disminuyendo a una velocidad constante. Esta decadencia constante a una tasa conocida, una vida media de aproximadamente 5, 700 años, permite a los científicos determinar la edad de un objeto.
Después de que los científicos miden el contenido de radiocarbono de un objeto, lo comparan con el radiocarbono en anillos de árboles cuyas edades son conocidas. Esta técnica les permite compensar pequeñas variaciones del contenido de radiocarbono en la atmósfera en diferentes momentos en el pasado. Al hacerlo, los científicos pueden convertir la edad de radiocarbono de un objeto en una fecha más precisa.
Los radioisótopos con vidas medias muy largas se utilizan para fechar especímenes de roca como Uranio-238. Uranio-235 que se convierte en plomo 207; torio 232, que se convierte en plomo 208; rubidio 87, que se transforma en estroncio 87; y el potasio 40, que cambia a argón 40, es un radioisótopo que puede usarse para calcular la edad de las rocas.
Riesgos nucleares y cuestiones de seguridad:
Recientemente ha habido mucha preocupación por los peligros inherentes a las plantas nucleares: temores de radiación, eliminación de desechos, accidentes desastrosos. Si bien algunos de los peligros son reales, los científicos nucleares señalan que muchos de ellos no se basan en hechos científicos y en observaciones imparciales.
Peligro de radiación:
No hay duda de que la radiación causa daño a las células vivas, pero esto depende de la intensidad de la radiación y del tiempo de exposición. Cuando un átomo de una célula orgánica compleja se expone a la radiación, se produce la ionización y las moléculas se desintegran, afectando negativamente al sistema biológico, a veces incluso destruyendo la célula.
Si bien las dosis altas son fatales, las dosis bajas pueden tener un efecto acumulativo y causar cáncer, especialmente en la piel, y leucemia. Puede afectar los tejidos linfáticos, el sistema nervioso y los órganos reproductivos. Sin embargo, los efectos adversos se producen después de dosis de radiación considerablemente altas y constantes.
La liberación de radioactividad en el aire y el agua de los reactores tiene lugar, pero se mantiene dentro de los límites prescritos por el AERB. La Tierra está siendo bombardeada constantemente por partículas nucleares de rayos cósmicos (el 65 por ciento de la radiación natural experimentada por un ser humano se debe a esto).
La radiación de fondo de fuentes terrestres y extraterrestres es mucho más alta que la radiación de las plantas nucleares. En estas circunstancias, las exposiciones a la radiación de las plantas nucleares son de una cantidad insignificante. El temor a la radiación surge porque la mayoría de las personas no están dispuestas a creer en ningún "nivel seguro" para la exposición a la radiación.
Peligro por residuos nucleares:
Otro aspecto del peligro nuclear es la gestión de residuos. La técnica general para tratar los desechos radiactivos es concentrar y contener la mayor cantidad de radioactividad posible, y descargar al medio ambiente solo el efluente de un nivel de concentración tan bajo como sea posible.
En sitios del interior como Narora y Rawatbhatta, los desechos líquidos de bajo nivel se descargan en el medio ambiente a un nivel mínimo. En sitios costeros como Tarapur y Chennai es posible una dilución significativa en el mar. Para los desechos sólidos, se utilizan diferentes tipos de contenciones y se ubican en sitios seleccionados sobre la base de la evaluación geológica y geohidrológica.
La fisión del U-235 produce muchos isótopos radiactivos, como el estroncio 90, el cesio 137 y el bario 140. Estos desechos permanecen radiactivos y peligrosos durante aproximadamente 600 años debido a los isótopos del estroncio y el cesio. Si estos se introducen en el suministro de alimentos o agua, se pueden llevar a los cuerpos de las personas donde pueden causar daño.
El cuerpo es incapaz de distinguir entre el estroncio radioactivo y el calcio, por ejemplo. El plutonio y otros elementos creados artificialmente en los desechos permanecen radiactivos durante miles de años. Incluso en pequeñas cantidades, el plutonio puede causar cáncer o daños genéticos (reproductivos) en los seres humanos.
Cantidades mayores pueden causar enfermedad por radiación y la muerte. La eliminación segura de estos desechos es uno de los problemas involucrados en la producción de energía nuclear. Los desechos se manejan cuidadosamente incorporándolos en matrices sólidas inertes y colocándolos en recipientes que se mantienen bajo enfriamiento hasta que la radioactividad llegue al nivel deseado. Finalmente, los botes se almacenan en medios geológicos adecuados. Sin embargo, el problema no se resuelve por completo.
Efectos de una explosión nuclear:
Los efectos que tiene una explosión nuclear en las personas, los edificios y el medio ambiente pueden variar enormemente, dependiendo de una serie de factores. Estos factores incluyen el clima, el terreno, el punto de explosión en relación con la superficie de la tierra y el rendimiento del arma.
La explosión del arma produciría cuatro efectos básicos:
(i) onda expansiva:
La explosión comienza con la formación de una bola de fuego, que consiste en una nube de polvo y de gases extremadamente calientes bajo una presión muy alta. Una fracción de segundo después de la explosión, los gases comienzan a expandirse y forman una onda explosiva, también llamada onda de choque.
La onda expansiva y el viento probablemente matarían a la mayoría de las personas dentro de los 5 kilómetros de la zona cero y algunas de las personas entre 5 y 10 kilómetros de la zona cero. Muchas otras personas dentro de los 10 kilómetros del grupo cero serían lesionadas.
(ii) Radiación térmica:
Consiste en radiación ultravioleta, visible e infrarroja emitida por la bola de fuego. La radiación ultravioleta es absorbida rápidamente por las partículas en el aire, por lo que hace poco daño. Sin embargo, la radiación visible e infrarroja puede causar lesiones en los ojos y quemaduras en la piel llamadas quemaduras repentinas.
Entre el 20 y el 30 por ciento de las muertes de Hiroshima y Nagasaki se debieron a quemaduras repentinas. La radiación térmica también puede encender materiales tan inflamables como los periódicos y las hojas secas. La quema de estos materiales puede conducir a grandes incendios.
(iii) Radiación nuclear inicial:
Esto se emite en el primer minuto después de la explosión. Se compone de neutrones y rayos gamma. Los neutrones y algunos de los rayos gamma se emiten casi instantáneamente desde la bola de fuego. El resto de los rayos gamma son emitidos por una enorme nube de material radioactivo en forma de hongo que se forma por la explosión. La radiación nuclear puede causar la inflamación y la destrucción de las células humanas y prevenir el reemplazo celular normal.
Grandes dosis de radiación pueden causar la muerte. La cantidad de daño que una persona sufriría por la radiación nuclear inicial depende en parte de la ubicación de la persona en relación con el punto cero. La radiación inicial disminuye rápidamente en intensidad a medida que se aleja del punto cero.
(iv) Radiación nuclear residual:
Esto viene después de un minuto después de la explosión. La radiación residual creada por la fisión consiste en rayos gamma y partículas beta. La radiación residual producida por la fusión se compone principalmente de neutrones. Golpea partículas de roca, tierra, agua y otros materiales que forman la nube en forma de hongo. Como resultado, estas partículas se vuelven radiactivas. Cuando las partículas caen de nuevo a la tierra, son conocidas como lluvia. Cuanto más cerca se produce una explosión en la superficie de la tierra, más lluvia produce.
Las consecuencias tempranas consisten en partículas más pesadas que llegan al suelo durante las primeras 24 horas después de la explosión. Estas partículas caen principalmente a favor del viento desde el punto cero. Las consecuencias tempranas son altamente radiactivas y matarán o dañarán gravemente a los seres vivos.
Las consecuencias retrasadas llegan al suelo desde 24 horas hasta varios años después de la explosión. Consiste en pequeñas partículas, a menudo invisibles, que eventualmente pueden caer en pequeñas cantidades sobre grandes áreas de la tierra. Las consecuencias retardadas solo causan daños por radiación a largo plazo a los seres vivos. Sin embargo, este daño puede ser grave para ciertas personas.
Medidas de seguridad:
Los principales peligros de la producción de energía nuclear se deben a las grandes cantidades de material radioactivo que produce un reactor. Estos materiales emiten radiación en forma de rayos alfa, beta y gamma. Por lo tanto, los sitios para las plantas nucleares se eligen teniendo en cuenta los parámetros de seguridad. Las plantas están diseñadas para una operación segura a través de una serie de medidas de protección. Al reconocer las posibilidades del error humano, el mal funcionamiento de los equipos y los fenómenos naturales extremos, las plantas están diseñadas según el concepto de "defensa en profundidad"
Un recipiente del reactor está rodeado por gruesos bloques de hormigón llamados escudos, que normalmente evitan que casi toda la radiación se escape.
En países con energía nuclear, las regulaciones limitan la cantidad de radiación permitida desde las plantas nucleares. Cada planta tiene instrumentos que miden continuamente la radioactividad en y alrededor de la planta. Activan automáticamente una alarma si la radioactividad se eleva por encima de un nivel predeterminado. Si es necesario, el reactor se apaga.
Las medidas de seguridad rutinarias de una planta reducen en gran medida la posibilidad de un accidente grave. Sin embargo, cada planta cuenta con sistemas de seguridad de emergencia. Las posibles emergencias van desde una rotura en la tubería de agua de un reactor hasta una fuga de radiación desde el recipiente del reactor. Cualquier emergencia de este tipo activa automáticamente un sistema que apaga instantáneamente el reactor, un proceso llamado "scramming". La compresión se realiza generalmente mediante la rápida inserción de las barras de control en el núcleo.
Una fuga o rotura en la tubería de agua de un reactor podría tener consecuencias graves si se produce una pérdida de refrigerante. Incluso después de que se haya apagado un reactor, los materiales radioactivos que permanecen en el núcleo del reactor pueden calentarse tanto sin suficiente refrigerante que el núcleo se fundiría. Esta condición, llamada fusión, podría provocar la liberación de cantidades peligrosas de radiación.
En la mayoría de los casos, la gran estructura de contención que alberga un reactor evitaría que la radioactividad se escape a la atmósfera. Sin embargo, existe una pequeña posibilidad de que el núcleo fundido pueda calentarse lo suficiente como para quemar el piso de la estructura de contención y profundizar en la tierra.
Los ingenieros nucleares denominan a este tipo de situación el "Síndrome de China". Para evitar que ocurra un accidente de este tipo, todos los reactores están equipados con un sistema de enfriamiento del núcleo de emergencia, que inunda automáticamente el núcleo con agua en caso de pérdida de refrigerante.
Las dosis de radiación externa recibidas por los trabajadores ocupacionales de todo el país se monitorean mensualmente. El servicio de monitoreo de películas se proporciona a personas que trabajan en instituciones médicas, industriales y de investigación. Las personas que trabajan en reactores, plantas de reprocesamiento de combustible y aceleradores brindan un servicio de monitoreo de dosímetro termoluminiscente y un servicio de monitoreo de neutrones rápidos.
La Comisión Internacional de Protección Radiológica (ICRP, por sus siglas en inglés) ha recomendado a los trabajadores de radiación un límite de dosis efectiva de 20 MSV por año en promedio durante cinco años, con la disposición adicional de que la dosis efectiva no debe superar los 50 MSV por año.
El OIEA clasifica los eventos en la Escala Internacional de Eventos Nucleares, una escala de 0 a 7 según la gravedad. Los eventos que pueden denominarse 'accidentes' (nivel 4 y superior en la escala) hasta ahora han ocurrido en Occidente (Chernobyl tenía 7 en la escala; el fuego de Narora se ubicó en el nivel 3). Además, los complejos de armas tienen un grado mucho mayor de problemas relacionados con la seguridad.
