Transmutación nuclear

La transmutación nuclear es la conversión de un elemento químico o un isótopo en otro elemento químico. ^[1] La transmutación nuclear ocurre en cualquier proceso en el que se modifica el número de protones o neutrones en el núcleo de un átomo.

Una transmutación puede lograrse mediante reacciones nucleares (en las que una partícula externa reacciona con un núcleo) o por desintegración radiactiva , donde no se necesita ninguna causa externa.

La transmutación natural mediante nucleosíntesis estelar en el pasado creó la mayoría de los elementos químicos más pesados ​​del universo existente conocido, y continúa ocurriendo hasta el día de hoy, creando la gran mayoría de los elementos más comunes del universo, incluidos el helio , el oxígeno y el carbono . La mayoría de las estrellas llevan a cabo la transmutación mediante reacciones de fusión que involucran hidrógeno y helio, mientras que estrellas mucho más grandes también son capaces de fusionar elementos más pesados ​​hasta el hierro en etapas tardías de su evolución.

Los elementos más pesados ​​que el hierro, como el oro o el plomo , se crean mediante transmutaciones elementales que pueden ocurrir de forma natural en las supernovas . Ahora se sabe que uno de los objetivos de la alquimia, la transmutación de sustancias básicas en oro, es imposible por medios químicos, pero posible por medios físicos. A medida que las estrellas comienzan a fusionar elementos más pesados, se libera sustancialmente menos energía de cada reacción de fusión. Esto continúa hasta que se llega al hierro, que se produce mediante una reacción endotérmica que consume energía. No se puede producir ningún elemento más pesado en tales condiciones.

Un tipo de transmutación natural observable en el presente ocurre cuando ciertos elementos radiactivos presentes en la naturaleza se desintegran espontáneamente mediante un proceso que provoca transmutación, como la desintegración alfa o beta . Un ejemplo es la desintegración natural del potasio-40 a argón-40 , que forma la mayor parte del argón en el aire. También en la Tierra ocurren transmutaciones naturales a partir de los diferentes mecanismos de las reacciones nucleares naturales , debido al bombardeo de elementos con rayos cósmicos (por ejemplo, para formar carbono-14 ), y también ocasionalmente a partir del bombardeo natural de neutrones (por ejemplo, véase reactor de fisión nuclear natural ).

La transmutación artificial puede ocurrir en máquinas que tienen suficiente energía para provocar cambios en la estructura nuclear de los elementos. Tales máquinas incluyen aceleradores de partículas y reactores tokamak . Los reactores de fisión convencionales también causan transmutación artificial, no por la potencia de la máquina, sino por la exposición de los elementos a neutrones producidos por la fisión a partir de una reacción nuclear en cadena producida artificialmente . Por ejemplo, cuando un átomo de uranio es bombardeado con neutrones lentos, se produce la fisión. Esto libera, en promedio, tres neutrones y una gran cantidad de energía. Los neutrones liberados luego causan la fisión de otros átomos de uranio, hasta que se agota todo el uranio disponible. Esto se llama reacción en cadena .

La transmutación nuclear artificial se ha considerado como un posible mecanismo para reducir el volumen y el riesgo de los residuos radiactivos . ^[2]

El término transmutación se remonta a la alquimia . Los alquimistas buscaban la piedra filosofal , capaz de producir crisopeya , la transformación de metales básicos en oro. ^[3] Si bien los alquimistas a menudo entendían la crisopeya como una metáfora de un proceso místico o religioso, algunos practicantes adoptaron una interpretación literal e intentaron fabricar oro mediante experimentación física. La imposibilidad de la transmutación metálica había sido debatida entre alquimistas, filósofos y científicos desde la Edad Media. La transmutación pseudoalquímica fue prohibida ^[4] y ridiculizada públicamente a partir del siglo XIV. Alquimistas como Michael Maier y Heinrich Khunrath escribieron tratados que exponían las afirmaciones fraudulentas sobre la fabricación de oro. En la década de 1720, ya no había ninguna figura respetable que se dedicara a la transmutación física de sustancias en oro. ^[5] Antoine Lavoisier , en el siglo XVIII, reemplazó la teoría alquímica de los elementos por la teoría moderna de los elementos químicos, y John Dalton desarrolló aún más la noción de átomos (a partir de la teoría alquímica de los corpúsculos ) para explicar varios procesos químicos. La desintegración de los átomos es un proceso distinto que implica energías mucho mayores que las que podrían lograr los alquimistas.

Frederick Soddy fue el primero en aplicarlo conscientemente a la física moderna cuando, junto con Ernest Rutherford , en 1901 descubrió que el torio radiactivo se estaba convirtiendo en radio . En el momento en que se dio cuenta, Soddy recordó más tarde, gritó: "Rutherford, ¡esto es transmutación!". Rutherford respondió bruscamente: "Por el amor de Dios, Soddy, no lo llames transmutación . Nos van a cortar la cabeza como alquimistas". ^[6]

Rutherford y Soddy estaban observando la transmutación natural como parte de la desintegración radiactiva del tipo de desintegración alfa . La primera transmutación artificial fue realizada en 1925 por Patrick Blackett , un investigador que trabajaba bajo las órdenes de Rutherford, con la transmutación de nitrógeno en oxígeno , utilizando partículas alfa dirigidas al nitrógeno ¹⁴ N + α → ¹⁷ O + p. ^[7] Rutherford había demostrado en 1919 que un protón (lo llamó un átomo de hidrógeno) era emitido a partir de experimentos de bombardeo alfa, pero no tenía información sobre el núcleo residual. Los experimentos de Blackett de 1921-1924 proporcionaron la primera evidencia experimental de una reacción de transmutación nuclear artificial. Blackett identificó correctamente el proceso de integración subyacente y la identidad del núcleo residual. En 1932, los colegas de Rutherford, John Cockcroft y Ernest Walton , lograron una reacción nuclear completamente artificial y una transmutación nuclear , que utilizaron protones acelerados artificialmente contra litio-7 para dividir el núcleo en dos partículas alfa. La hazaña fue conocida popularmente como "división del átomo", aunque no fue la reacción de fisión nuclear moderna descubierta en 1938 por Otto Hahn , Lise Meitner y su asistente Fritz Strassmann en elementos pesados. ^[8] En 1941, Rubby Sherr , Kenneth Bainbridge y Herbert Lawrence Anderson informaron sobre la transmutación nuclear del mercurio en oro . ^[9]

Más tarde, en el siglo XX, se elaboró ​​la transmutación de elementos dentro de las estrellas, lo que explica la abundancia relativa de elementos más pesados ​​en el universo. A excepción de los primeros cinco elementos, que se produjeron en el Big Bang y otros procesos de rayos cósmicos , la nucleosíntesis estelar explicó la abundancia de todos los elementos más pesados ​​que el boro . En su artículo de 1957 Síntesis de los elementos en las estrellas , ^[10] William Alfred Fowler , Margaret Burbidge , Geoffrey Burbidge y Fred Hoyle explicaron cómo las abundancias de esencialmente todos los elementos químicos, excepto los más ligeros, podían explicarse mediante el proceso de nucleosíntesis en las estrellas.

La tradición alquímica pretendía convertir el "metal base", el plomo, en oro. Como transmutación nuclear, se necesita mucha menos energía para convertir el oro en plomo; por ejemplo, esto se produciría mediante captura de neutrones y desintegración beta si el oro se dejara en un reactor nuclear durante un período de tiempo suficientemente largo. ^{[ cita requerida ]} Glenn Seaborg logró producir una cantidad minúscula de oro a partir del bismuto, con una pérdida neta de energía. ^{[11] [12]}

Se cree que el Big Bang fue el origen del hidrógeno (incluido todo el deuterio ) y del helio en el universo. El hidrógeno y el helio juntos representan el 98% de la masa de la materia ordinaria en el universo, mientras que el 2% restante compone todo lo demás. El Big Bang también produjo pequeñas cantidades de litio , berilio y quizás boro . Más tarde se produjeron más litio, berilio y boro, en una reacción nuclear natural, la espalación de rayos cósmicos .

La nucleosíntesis estelar es responsable de todos los demás elementos que se producen de forma natural en el universo como isótopos estables y nucleidos primordiales , desde el carbono hasta el uranio . Estos se produjeron después del Big Bang, durante la formación de estrellas. Algunos elementos más ligeros, desde el carbono hasta el hierro, se formaron en estrellas y fueron liberados al espacio por estrellas de la rama gigante asintótica (AGB). Se trata de un tipo de gigante roja que "exhala" su atmósfera exterior y que contiene algunos elementos, desde el carbono hasta el níquel y el hierro. Los nucleidos con un número másico superior a 64 se producen predominantemente mediante procesos de captura de neutrones (el proceso s y el proceso r ) en explosiones de supernovas y fusiones de estrellas de neutrones .

Se cree que el Sistema Solar se condensó aproximadamente 4.600 millones de años antes del presente, a partir de una nube de hidrógeno y helio que contenía elementos más pesados ​​en granos de polvo formados previamente por un gran número de estrellas de ese tipo. Estos granos contenían los elementos más pesados ​​formados por transmutación en etapas anteriores de la historia del universo.

Todos estos procesos naturales de transmutación en las estrellas continúan hoy en día, en nuestra propia galaxia y en otras. Las estrellas fusionan hidrógeno y helio en elementos cada vez más pesados ​​(hasta hierro), produciendo energía. Por ejemplo, las curvas de luz observadas de estrellas supernova como SN 1987A muestran que expulsan grandes cantidades (comparables a la masa de la Tierra) de níquel y cobalto radiactivos al espacio. Sin embargo, poco de este material llega a la Tierra. La mayor parte de la transmutación natural en la Tierra hoy está mediada por rayos cósmicos (como la producción de carbono-14 ) y por la desintegración radiactiva de nucleidos primordiales radiactivos que quedaron de la formación inicial del Sistema Solar (como potasio-40 , uranio y torio), más la desintegración radiactiva de productos de estos nucleidos (radio, radón, polonio, etc.). Véase cadena de desintegración .

La transmutación de elementos transuránicos (es decir, actínidos menos actinio a uranio ), como los isótopos de plutonio (alrededor del 1% en peso en el combustible nuclear usado de los reactores de agua ligera o los actínidos menores (MA, es decir, neptunio , americio y curio ), alrededor del 0,1% en peso cada uno en el combustible nuclear usado de los reactores de agua ligera) tiene el potencial de ayudar a resolver algunos problemas planteados por la gestión de los residuos radiactivos al reducir la proporción de isótopos de larga duración que contiene. (Esto no descarta la necesidad de un depósito geológico profundo para los residuos radiactivos de alto nivel ). ^{[ cita requerida ]} Cuando se irradian con neutrones rápidos en un reactor nuclear , estos isótopos pueden sufrir fisión nuclear , destruyendo el isótopo actínido original y produciendo un espectro de productos de fisión radiactivos y no radiactivos .

Los objetivos cerámicos que contienen actínidos pueden bombardearse con neutrones para inducir reacciones de transmutación que permitan eliminar las especies más difíciles de eliminar de larga duración. Estos pueden consistir en soluciones sólidas que contienen actínidos, como (Am,Zr)N , (Am,Y)N , (Zr,Cm)O ₂ , (Zr,Cm,Am)O ₂ , (Zr,Am,Y)O ₂ o simplemente fases de actínidos, como AmO ₂ , NpO ₂ , NpN , AmN mezcladas con algunas fases inertes, como MgO , MgAl ₂ O ₄ , (Zr,Y)O ₂ , TiN y ZrN . El papel de las fases inertes no radiactivas es principalmente proporcionar un comportamiento mecánico estable al objetivo bajo la irradiación de neutrones. ^[13]

Sin embargo, esta estrategia de P&T (partición y transmutación) presenta problemas:

• Está limitada por la costosa y engorrosa necesidad de separar los isótopos de productos de fisión de larga duración antes de que puedan sufrir transmutación.
• Algunos ^{productos de fisión de larga} duración , incluido el desecho nuclear cesio-137 , no pueden capturar suficientes neutrones para que se produzca una transmutación efectiva debido a su pequeña ^sección transversal de neutrones y la consiguiente baja tasa de captura.

El nuevo estudio dirigido por Satoshi Chiba en Tokyo Tech (denominado "Método para reducir los productos de fisión de larga duración mediante transmutaciones nucleares con reactores de espectro rápido" ^[14] ) muestra que se puede lograr una transmutación eficaz de los productos de fisión de larga duración en reactores de espectro rápido sin necesidad de separación de isótopos. Esto se puede lograr añadiendo un moderador de deuteruro de itrio. ^[15]

Por ejemplo, el plutonio puede reprocesarse en combustibles de óxido mixto y transmutarse en reactores estándar. Sin embargo, esto está limitado por la acumulación de plutonio-240 en el combustible MOX gastado, que no es particularmente fértil (la transmutación a plutonio-241 fisible ocurre, pero a tasas más bajas que la producción de más plutonio-240 a partir de la captura de neutrones por plutonio-239 ) ni fisible con neutrones térmicos. Incluso países como Francia , que practican ampliamente el reprocesamiento nuclear , generalmente no reutilizan el contenido de plutonio del combustible MOX usado. Los elementos más pesados ​​​​se podrían transmutar en reactores rápidos , pero probablemente de manera más efectiva en un reactor subcrítico que a veces se conoce como amplificador de energía y que fue ideado por Carlo Rubbia . También se han propuesto fuentes de neutrones de fusión como muy adecuadas. ^{[16] [17] [18]}

Existen varios combustibles que pueden incorporar plutonio en su composición inicial al principio de su ciclo y tener una cantidad menor de este elemento al final del ciclo. Durante el ciclo, el plutonio puede quemarse en un reactor de potencia, generando electricidad. Este proceso no sólo es interesante desde el punto de vista de la generación de energía, sino también por su capacidad de consumir el plutonio excedente de grado bélico del programa de armas y el plutonio resultante del reprocesamiento del combustible nuclear usado.

El combustible de óxido mixto es uno de ellos. Su mezcla de óxidos de plutonio y uranio constituye una alternativa al combustible de uranio poco enriquecido que se utiliza predominantemente en los reactores de agua ligera. Como el uranio está presente en el óxido mixto, aunque se queme plutonio, se producirá plutonio de segunda generación mediante la captura radiactiva del uranio-238 y las dos desintegraciones beta negativas posteriores.

Los combustibles con plutonio y torio también son una opción. En estos, los neutrones liberados en la fisión del plutonio son capturados por el torio-232 . Después de esta captura radiactiva, el torio-232 se convierte en torio-233, que sufre dos desintegraciones beta negativas que dan lugar a la producción del isótopo fisible uranio-233 . La sección eficaz de captura radiactiva del torio-232 es más de tres veces la del uranio-238, lo que produce una mayor conversión a combustible fisible que la del uranio-238. Debido a la ausencia de uranio en el combustible, no se produce plutonio de segunda generación y la cantidad de plutonio quemado será mayor que en los combustibles de óxido mixto. Sin embargo, el uranio-233, que es fisible, estará presente en el combustible nuclear utilizado. El plutonio apto para armas y para reactores se puede utilizar en combustibles de plutonio-torio, siendo el plutonio apto para armas el que muestra una mayor reducción en la cantidad de plutonio-239.

Algunos productos de fisión radiactivos pueden convertirse en radioisótopos de vida más corta mediante transmutación. En Grenoble ^[19] se estudia la transmutación de todos los productos de fisión con una vida media superior a un año, con resultados variables.

El estroncio-90 y el cesio-137, con vidas medias de unos 30 años, son los mayores emisores de radiación (incluido el calor) en el combustible nuclear usado en una escala de décadas a ~305 años ( el estaño-121m es insignificante debido a su bajo rendimiento), y no se transmutan fácilmente porque tienen secciones eficaces de absorción de neutrones bajas . En cambio, deberían simplemente almacenarse hasta que se desintegran. Dado que este período de almacenamiento es necesario, los productos de fisión con vidas medias más cortas también pueden almacenarse hasta que se desintegran.

El siguiente producto de fisión de mayor duración es el samario-151 , que tiene una vida media de 90 años y es un absorbente de neutrones tan bueno que la mayor parte se transmuta mientras el combustible nuclear todavía se está utilizando; sin embargo, la transmutación efectiva del resto¹⁵¹
El Sm presente en los residuos nucleares requeriría la separación de otros isótopos del samario . Dadas las cantidades más pequeñas y su radiactividad de baja energía,¹⁵¹
El SM es menos peligroso que⁹⁰
Sr y¹³⁷
El Cs también puede dejarse desintegrar durante unos 970 años.

Por último, hay siete productos de fisión de larga duración . Tienen vidas medias mucho más largas, en el rango de 211.000 años a 15,7 millones de años. Dos de ellos, el tecnecio-99 y el yodo-129 , son lo suficientemente móviles en el medio ambiente como para ser peligros potenciales, están libres ( el tecnecio no tiene isótopos estables conocidos) o casi libres de mezcla con isótopos estables del mismo elemento, y tienen secciones eficaces de neutrones que son pequeñas pero adecuadas para soportar la transmutación. Además,⁹⁹
El Tc puede sustituir al uranio-238 en el suministro de ensanchamiento Doppler para la retroalimentación negativa para la estabilidad del reactor. ^[20] La mayoría de los estudios de esquemas de transmutación propuestos han asumido⁹⁹
T.c. ,¹²⁹
I y elementos transuránicos como objetivos para la transmutación, con otros productos de fisión, productos de activación y posiblemente uranio reprocesado que permanecen como desechos. ^[21] El tecnecio-99 también se produce como un producto de desecho en medicina nuclear a partir del tecnecio-99m , un isómero nuclear que se desintegra a su estado fundamental que no tiene más uso. Debido al producto de desintegración de¹⁰⁰
Tc (el resultado de⁹⁹
El Tc ( que captura un neutrón) se desintegra con una vida media relativamente corta en un isótopo estable del rutenio , un metal precioso ; también podría haber algún incentivo económico para la transmutación, si los costos se pueden reducir lo suficiente.

De los cinco productos de fisión de larga duración restantes, el selenio-79 , el estaño-126 y el paladio-107 se producen solo en pequeñas cantidades (al menos en el núcleo de neutrones térmicos actual ).²³⁵
Los reactores de agua ligera que queman U (U ) y los dos últimos deberían ser relativamente inertes. Los otros dos, circonio-93 y cesio-135 , se producen en mayores cantidades, pero tampoco son muy móviles en el medio ambiente. También se mezclan con mayores cantidades de otros isótopos del mismo elemento. El circonio se utiliza como revestimiento en las barras de combustible debido a que es prácticamente "transparente" a los neutrones, pero una pequeña cantidad de⁹³
El Zr se produce por absorción de neutrones a partir de zircaloy regular sin muchos efectos nocivos.⁹³
El Zr podría reutilizarse para nuevos materiales de revestimiento y hasta ahora no ha sido objeto de muchos estudios.

• Activación de neutrones
• Energía nuclear
• Lista de tecnologías de tratamiento de residuos nucleares
• Síntesis de metales preciosos
• Material fértil

• "Cambio radiactivo", artículo de Rutherford & Soddy (1903), en línea y analizado en Bibnum [haga clic en 'descargar' para la versión en inglés] .