Radiactividad natural

Existen ciertos criterios que nos permiten determinar si un núcleo atómico será o no estable. En primer lugar debe existir equilibrio entre la fuerza fuerte y la electrostática. Si el núcleo presenta un exceso de protones o de neutrones, no puede ser estable debido a que en ese caso predomina o bien la fuerza fuerte o bien la electrostática.

Para ello los núcleos inestables tratan de alcanzar la estabilidad mediante la eliminación de materia, lo que aumenta la energía de ligadura por electrón (es decir, la energía que se necesitaría si se desease extraerlo del núcleo).

Dicho proceso recibe el nombre de radiactividad natural y se verifica mediante la eliminación de materia a través de la emisión de partículas alfa o beta (seguida en ocasiones de emisión de rayos gamma).

Gracias a la ecuación de Einstein (E = mc²) sabemos que la energía de ligadura esta relacionada con el defecto másico, es decir, con la diferencia entre la suma de las masas de las partículas individuales que constituyen el núcleo y la masa total del núcleo como

un todo. Durante la desintegración alfa, el núcleo emite partículas alfa formadas por cuatro nucleones (dos protones) y dos neutrones, es decir, son núcleos de helio, mientras que en la desintegración beta se produce la emisión de un electrón o positrón (partícula cuya carga es la contraria del electrón). Los rayos gamma, por su parte, son una forma de radiación electromagnética de onda corta semejante a los rayos X de alta energía.

Por lo tanto, tras la desintegración alfa un núcleo padre da lugar a uno hijo que tiene una masa inferior en 4 y un número atómico menor en 2. Sin embargo, para la desintegración beta la masa del núcleo no varia, aunque si lo hace el número atómico, aumentando  decreciendo en 1 según se emita un electrón o un positrón.

Cuanto mayor es el número de núcleos radiactivos contenidos en una muestra, tanto mayor es el de los que experimentan transformaciones, por lo que se define el concepto de vida media, que es la media aritmética de una cierta especie nuclear para un determinado estado.

Permite hacerse una idea del ritmo con el que decrece la radiactividad de una sustancia, ya que cuanto menor es su vida media tanto más rápido es el decrecimiento de su radiactividad. Está relacionada con el periodo de semidesintegración (tiempo necesario para que se desintegren la mitad de los núcleos). Asimismo se habla de serie radiactiva, que es un grupo de nucleidos en el que cada uno de ellos se forma a partir de la desintegración del que le precede en la serie.

El primero recibe el nombre de nucleido padre o cabeza de la serie, y el último es el producto final de ésta. Las series reciben el nombre del primer nucleido de período muy largo, y así, en la naturaleza existen cuatro series de este tipo: la del uranio, la del torio, la del actinio y la del neptunio. De ellas, la serie del uranio, por ejemplo, tiene como nucleido padre al uranio 238 (²³⁸U), y como término final al plomo 206 (²⁰⁶Pb). Su período es de 4,5-10⁹ y sus términos se caracterizan por poseer un número másico que disminuido en dos unidades es múltiplo de cuatro.

Además de la radiactividad natural, es posible generar radiactividad artificial mediante el bombardeo de un núcleo con neutrones de alta velocidad. El ejemplo más conocido de este tipo de procesos lo constituye el del uranio, que bombardeado con neutrones se fisiona dando dos mitades iguales, liberando de dos a tres neutrones y produciendo en el proceso gran cantidad de energía.

Cuando se sobrepasa una cierta masa, que recibe el nombre de masa crítica, se tiene la seguridad de que en cada fisión se producirá al menos un neutrón capaz de volver a fisionar un núcleo, con lo que se ha establecido una reacción en cadena. Si la reacción en cadena se produce fuera de control (lo que constituye la base del funcionamiento de la bomba atómica), entonces se produce una explosión nuclear.

Sin embargo, dicha reacción en cadena es  posible moderarla y controlarla, con lo que se logra la liberación de grandes cantidades de energía que pueden emplearse, como de hecho se hace, para calentar el agua de los circuitos que ponen en movimiento las turbinas para la producción energía eléctrica, con lo que se tiene el principio funcional de las centrales nucleares.

Los reactores empleados en las centrales nucleares están constituidos esquemáticamente por un material fisionable (es decir, que puede dividirse en núcleos más pequeños mediante bombardeo con neutrones) que hace las veces de combustible; un moderador, que permite frenar los neutrones producidos durante la fisión para aumentar su eficacia en la producción de nuevas fisiones; un dispositivo reflector con el que se trata de evitar que los neutrones escapen del interior del reactor; un blindaje adecuado que rodea al reactor y cuya misión es la de proteger al personal de la central y las instalaciones auxiliares de esta del flujo de neutrones producido en el reactor y de la radiactividad inducida por los productos resultantes de la fisión; y finalmente un circuito de refrigeración, que es el encargado de transportar el calor generado durante las fisiones fuera del núcleo para mantenerlo a una temperatura adecuada. Este calor sobrante es el que calienta el agua que se conduce hacia las turbinas en las que se genera la energía eléctrica que pasa más tarde a la red.

Otro proceso mediante el cual también se puede obtener energía de origen nuclear es el de fusión. En dicho proceso intervienen, en lugar de núcleos pesados que se fraccionan por bombardeo con neutrones rápidos (fisión), núcleos ligeros que se fusionan entre sí (fusión).

Mediante el proceso de fusión, de dos núcleos de este tipo es posible obtener uno cuya masa es algo inferior a la suma de las masas de los núcleos originales, y como ya sabemos, mediante la ecuación de Einstein, esa diferencia de masa se obtiene en forma de energía. El proceso de fusión es posible únicamente si ambos núcleos disponen de una cantidad suficiente de energía como para poder vencer la repulsión electrostática que producen sus cargas.

Para ello es necesario que alcancen temperaturas muy elevadas (varios cientos de millones de grados), tal y como sucede en el interior de las estrellas, en las que el proceso de la fusión les permite mantener su brillo ininterrumpidamente durante largos periodos de su evolución (que abarcan miles de millones de años).

Las reacciones de fusión que se manifiestan de un modo explosivo constituyen el principio según el cual funcionan las bombas termonucleares, en las que para alcanzar las altas temperaturas necesarias para iniciar la reacción de fusión se emplea previamente una explosión nuclear.

En la actualidad se trabaja activamente en la investigación relacionada con la fusión nuclear como posible alternativa a la producción de energía mediante el uso de centrales nucleares convencionales de fusión. Sin embargo, la realización práctica de un reactor de fusión topa con gran cantidad de dificultades de orden técnico, referidas especialmente a la generación de las altas temperaturas iniciales necesarias para iniciar el proceso y a las dificultades para encontrar un recipiente adecuado para albergar la materia a esas temperaturas (plasma).

Es impensable la utilización de recipientes convencionales, ya que el gas extremadamente caliente ya no se compone de moléculas electrónicamente neutras, sino que está constituido por iones y electrones libres que hay que confinar con la ayuda de potentes campos magnéticos y eléctricos en los lugares adecuados.

Los dispositivos empleados en la actualidad para la investigación y desarrollo de este tipo de instalaciones (a nivel todavía experimental) consiguen confinar el gas mediante dos sistemas diferentes. Uno de ellos (llamado tokamak) se basa en el empleo de campos electromagnéticos, mientras que el otro (llamado método inercial) emplea un conjunto de haces de láser para lograrlo.

Entre los ejemplos del primer tipo se cuenta el JET (Joint European Torus), desarrollado por los países de la Comunidad Económica Europea.