La palabra nuclear ha quedado identificada como un elemento destructivo, sin embargo resulta una tecnología que también dio numerosos beneficios. Conozcamos las luces y las sombras que implicó este avance para la humanidad.

La tecnología nuclear apareció en el siglo XX tras una serie de investigaciones y descubrimientos que se llevaron a cabo en laboratorios modestamente provistos de equipos, con el propósito de dilucidar de forma lógica los fenómenos físicos que ocurrían y que a la fecha aún no tenían explicación.

La física nuclear es una ciencia, rama de la física, que apareció luego de múltiples investigaciones realizadas por el físico francés Henri Becquerel (1852 – 1908) tras encontrar un hecho sorprendente, notando que algunos átomos parecían cambiar de una especie a otra espontáneamente. En un principio realizó experimentos con sal de uranio y observó que en el proceso se velaban placas fotográficas, por ello realizó varios ensayos bajo distintos escenarios concluyendo que la intensidad de la misteriosa radiación era aparentemente siempre la misma. Sorprendido por lo que observó siguió realizando experimentos donde sólo tenía claro un hecho: esa sal emitía una extraña radiación todo el tiempo. Al ver que tras varias horas o semanas, incluso meses, seguía emitiendo energía de la nada, entendió que la fuente de tal energía no parecía agotarse en lo más mínimo.

Develando el misterio

Cuando Becquerel publicó sus resultados los esposos Marie (1867 – 1934) y Pierre Curie (1859 – 1906), conocidos físicos de la época, iniciaron una ardua labor para tratar de explicar de forma cuantitativa los fenómenos observados por Becquerel. Lograron obtener resultados satisfactorios gracias a un aparato que había sido diseñado por Pierre Curie llamado electrómetro, que era capaz de medir corrientes eléctricas muy débiles.

De esta manera se descubre que la radiación emitida por la sal de uranio ionizaba el aire, siendo un efecto producido por la muestra de dicha sustancia. A partir de las observaciones llegaron a la conclusión de que era una propiedad de la materia y recibió el nombre de radiactividad, propiedad que no dependía de la forma física o química en la que se encontraban los átomos radiactivos, dando lugar a que Marie Curie determine que se trataba de una propiedad atómica. Tras varios años de investigación el matrimonio logró aislar material radiactivo como el polonio y el radio; logrando con sus estudios consagrarse con el Premio Nobel de física en 1903, compartido con Henri Becquerel.

Al trabajar con elementos radiactivos los científicos se percataron de la aparición de nuevos elementos que no se encontraban cuando se inició el experimento, es decir, los elementos desaparecían y aparecían otros nuevos. Este suceso violaba los principios básicos de la química.

Por otro lado, cuando comenzaron a hacerse investigaciones sobre este tipo de materiales no se conocían los efectos peligrosos que ellos tenían sobre los seres vivos. Solo algunos de ellos pudieron observarse en la época, como las quemaduras ocasionadas por el radio al tener contacto directo con la piel, llevando a que este material sea transportado en una caja de plomo para prevenir lesiones. Posteriormente estos elementos perjudiciales sobre el ser humano comenzaron a prevenir a los científicos sobre la posibilidad de que estos materiales sean utilizados con fines bélicos, como efectivamente sucedió.

Tras años de investigación y de estudio de diversos elementos radiactivos, hoy en día se sabe que la radiactividad es un fenómeno físico-químico en el cual los elementos químicos radiactivos son capaces de emitir radiaciones que poseen ciertas características como la capacidad de atravesar cuerpos opacos, impresionar placas fotográficas o ionizar gases, entre otros.

Los procesos nucleares

Se entiende como procesos nucleares a una variedad de reacciones en las que se producen cambios en el núcleo del átomo, bien sea en el número de protones, neutrones o en el estado de energía del núcleo. Este término también se aplica a procesos que involucran colisiones entre núcleos. Muchos núcleos tienen una combinación de neutrones y protones que no conllevan una configuración estable, por consiguientes son núcleos inestables o radiactivos que tienden a aproximarse a una configuración estable liberando ciertas partículas.

Tales partículas observadas a finales del siglo pasado fueron denominadas partículas α y β. Las partículas alfa son núcleos de helio y están compuestas por dos protones y dos neutrones, es decir, cuando un núcleo emite una partícula alfa su número másico (A) disminuye en cuatro unidades mientras su número atómico (Z) disminuye en dos. Por esta razón el núcleo nuevo o núcleo residual corresponde a un elemento distinto, por ejemplo el radio activo emite partículas alfa. Las partículas β son electrones (-e): cuando un núcleo emite este tipo de partículas su número másico no se altera pero su número atómico aumenta en una unidad. También existe la posibilidad de que un núcleo emita positrones con una carga +e, teniendo el nuevo núcleo un número atómico menor en una unidad; a estos dos tipos de desintegración radiactiva se les designa como β = γ β+.

Venciendo la repulsión coulombiana dos núcleos pueden llegar a quedar muy cerca uno del otro, llevando a un agrupamiento de los nucleones y dando lugar a una reacción nuclear en la que se reagrupan las moléculas. Para generar reacciones nucleares usualmente se bombardea un núcleo que sirve de blanco con un proyectil nuclear como neutrones, protones (nucleón) o núcleos ligeros (como las partículas alfa).

Las reacciones nucleares son básicamente procesos de choque en donde se debe conservar la energía, la carga, el número de nucleones y el momento angular. Para hacer cálculos de sus propiedades o características se necesita tanto la mecánica newtoniana como la relativista. Cuando ocurren las reacciones nucleares la energía que se libera de los átomos se debe a que una pequeña masa de éstos se destruye, convirtiéndose en energía en forma de radiación y calor.

Fisión y fusión nuclear

Existen dos tipos de procesos por los cuales se puede liberar esta energía del núcleo atómico: la fisión y la fusión.
La fisión es un proceso de reacción nuclear que consiste en la división de un núcleo pesado, como el uranio o plutonio, en dos fragmentos de tamaño similar. Para que ocurra esto es necesario una cierta cantidad de energía proveniente del exterior, pudiéndose obtener de la energía cinética de una partícula que colisione o choque con el núcleo atómico; en la práctica la partícula usada es el neutrón que, debido a que carece de carga eléctrica, puede atravesar el campo electrostático que rodea al núcleo, cayendo sobre esté y fragmentándolo, liberando neutrones y también energía.

Ver este proceso de forma natural es raro y existen dos propiedades que hacen de la fisión un proceso importante para su aplicación en la práctica, una es que ocurre liberación de energía y la otra es que hay liberación de neutrones. Es decir, si el proceso es tal que después de cada fisión ocurre la liberación de aproximadamente dos neutrones, entonces al menos uno de los nuevos neutrones produce otra fisión y así sucesivamente, resultando un proceso autosostenido o una reacción en cadena.

Si en cada etapa del proceso de reacción nuclear más de un neutrón por fisión produce una nueva fisión, el número crece exponencialmente resultando una reacción en cadena divergente, que es lo que sucede en una bomba atómica. Si la reacción en cadena del uranio se produce a un ritmo acelerado se convertirá en una gran explosión, como ocurre con las armas nucleares.

Pero si en promedio sólo se produce un neutrón por fisión, resulta una reacción en cadena uniforme que se puede mantener bajo condiciones controladas. Este es el principio que se utiliza en los reactores nucleares, donde pueden iniciarse, mantenerse y controlarse tales reacciones nucleares de fisión en cadena. Estos se construyen para la producción de energía y realizar investigaciones, entre otras aplicaciones.

La fusión nuclear es el proceso inverso a la fisión nuclear. Consiste en la formación de un núcleo pesado a partir de dos núcleos ligeros que chocan entre sí, ocurriendo la unión de éstos y obteniéndose en general cuatro veces más energía que en la reacción de fisión. Para que esta reacción sea posible es necesario vencer la repulsión electrostática o coulombiana que existe entre los núcleos igualmente cargados, para llegar a situarse lo más cerca posible uno del otro y así se produzca la acción consolidante necesaria.

Para que tenga lugar la fusión de numerosos núcleos es esencial que estén a una elevada temperatura, lo que genera un problema técnico debido a que no se conoce ningún material que soporte temperaturas superiores a los 3.400 0C. A esta temperatura un material resistente como el tungsteno se vuelve líquido y es posible construir un recipiente que contenga tales partículas en reacción.

Debido a las elevadas temperaturas se crea un nuevo estado de la materia, el plasma, en el que existe un absoluto desorden de electrones e iones. Por las altas temperaturas, los núcleos están privados de todos sus electrones y la sustancia consiste en una mezcla neutra de núcleos cargados positivamente y electrones negativos. El gran problema radica en confinar el plasma, aunque en la actualidad se investigan métodos para contener tal combustible termonuclear.

Luces y sombras

El gran potencial de la energía nuclear es utilizado hoy en día para dos fines principalmente: los militares o bélicos, que hacen uso de la liberación de gran cantidad de energía por fisión o fusión, y los no militares.

El historial del uso bélico de las armas nucleares tiene un punto inicial en los bombardeos sobre Hiroshima y Nagasaki, ataques nucleares por parte de Estados Unidos en el año 1945 contra el Imperio de Japón que conllevaron el final de la Segunda Guerra Mundial. La bomba que se lanzó sobre Hiroshima tenía una masa pura de uranio activo -235U, un isótopo raro- y la energía liberada fue de unos 1014 J o 20 kilotones de TNT. Por otro lado, la bomba que fue arrojada sobre Nagasaki estaba compuesta de plutonio-239, un elemento sintético que se encontraba rodeado de explosivos que cuando detonaban provocaban una onda de choque que comprimían el material, ocasionando la fisión nuclear de reacción acelerada.

A raíz de estos hechos murieron miles de personas, algunas de forma inmediata y otras miles luego de las explosiones debido a quemaduras, radiación y la falta de personal médico o el desconocimiento de cómo tratar a los sobrevivientes. Las explosiones traen varios efectos aparejados, como la radiación en forma de calor, la radiación nuclear directa y la indirecta.

La explosión de un arma nuclear conlleva a un frente de onda esférico que se expande rápidamente ocasionando un súbito incremento y descenso de la presión del aire, produciendo la destrucción de edificaciones incluso a más de un kilómetro del estallido. La radiación de calor también es una onda que decrece debido a la absorción de la atmosfera. Pero incluso a dos kilómetros de donde se haya originado la explosión nuclear de una bomba de 20 kilotones, es capaz de generar quemaduras de tercer grado e incendiar materiales inflamables. La radiación nuclear directa está conformada por neutrones y radiación gamma (g) que decrece exponencialmente, pero que son igual de letales que las explosiones o quemaduras. A largo plazo esta radiación provoca un aumento de los casos de cáncer, leucemia y malformaciones en los fetos, entre otras afecciones. Finalmente, la radiación nuclear indirecta se debe a los productos radiactivos de la reacción nuclear de fisión, que son vaporizados por la explosión cayendo al suelo como una lluvia radiactiva. Si bien parte de este material se desintegra en la atmósfera, hay materiales como el 90Sr (Estroncio) que cuando cae puede concentrarse en los huesos y producir cáncer óseo.

Sin embargo, no todo lo que rodea a reacciones nucleares está ligado a la maquinaria bélica. En el área de la medicina se lograron avances significativos en el campo de la medicina nuclear, pudiéndose tratar de forma exitosa diversas enfermedades, tumores cancerígenos y se construyeron aparatos como el de resonancia nuclear magnética, radiología convencional y tomógrafos computarizados. Las reacciones de fusión, que son las generadoras de la energía de las estrellas, llevaron a la obtención industrial de la energía a través de procesos nucleares.