Subido por Kasner Muñoz Bueno

INTRODUCCIÓN QUÍMICA NUCLEAR

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Química nuclear
La química nuclear es la rama de la química que tiene que ver con la radiactividad,
con los procesos y propiedades nucleares.
Es
la
química
de
los
elementos radiactivos tales
como
los actínidos, radio y radón junto con la química asociada con el equipo (tales como
los reactores nucleares), los cuales son diseñados para llevar a cabo procesos
nucleares. Esto incluye la corrosión de superficies y el comportamiento bajo
condiciones tanto esto universal es como anormales de operación (un ejemplo de
este último es durante un accidente nuclear). Un área importante es el
comportamiento de los objetos y materiales después de ser dispuestos en un
depósito de desechos nucleares o un sitio de eliminación de desechos.
Incluye el estudio de los efectos químicos como resultado de la absorción de
radiación dentro de los animales, plantas y otros materiales. La química de
radiación controla gran parte de la biología de radiación ya que la radiación tiene
efectos en los seres vivos a un nivel molecular, para explicarlo de otra forma, la
radiación altera los bioquímicos dentro del organismo, la alteración de las
biomoléculas cambian la química que ocurre dentro del organismo; es así como este
cambio en la bioquímica puede generar un resultado biológico. Como resultado, la
química nuclear asiste de manera significativa a la comprensión de tratamientos
médicos (tales como cáncer, radioterapia) y ha permitido que estos tratamientos
sean mejorados.
Incluye el estudio de la producción y uso de fuentes radiactivas para cierta gama de
procesos. Esto incluye radioterapia en aplicaciones médicas, el uso de trazadores
radiactivos dentro de la industria, ciencia y medio ambiente y el uso de la radiación
para modificar materiales tales como polímeros.1
También incluye el estudio y uso de procesos nucleares en áreas no radiactivas de
la actividad humana. Por ejemplo, la espectroscopía de resonancia magnética
nuclear (RMN)
es
comúnmente
utilizada
en
síntesis
de química
orgánica, fisicoquímica y para análisis estructural en química macromolecular.
Historia reciente
Después del descubrimiento de los rayos X, muchos científicos comenzaron a
trabajar en la radiación ionizante. Uno de ellos fue Henri Becquerel, quien investigó
la relación entre fosforescencia y el ennegrecido de placas fotográficas. Cuando
Becquerel (trabajando en Francia) descubrió esto, sin una fuente de energía externa
el uranio generó rayos que pudieron ennegrecer (o empañar) la placa fotográfica,
así fue como se descubrió la radiactividad. Marie Curie (trabajando en París) y su
esposo Pierre Curie aislaron dos nuevos elementos radiactivos a partir de una mena
de uranio. Utilizaron métodos radiométricos para identificar cual era la traza
radiactiva después de cada separación química; separaron la mena de uranio en
cada uno de sus diferentes elementos químicos que eran conocidos en ese
entonces y midieron la radiactividad de cada fracción. Después realizaron un intento
para separar aún más estas fracciones radiactivas para aislar una fracción más
pequeña con una actividad específica alta (radiactividad dividida por masa). De esta
forma aislaron polonio y radio. Se notificó en 1901 que altas dosis de radiación
podían causar daños en humanos. Henri Becquerel cargaba una muestra de radio
en su bolsillo y como resultado sufrió una dosis altamente localizada que resultó el
una quemadura por radiación,[6] este daño generó una investigación en las
propiedades biológicas de la radiación, las cuales resultaron en el desarrollo de
tratamientos médicos.
Ernest Rutherford, quien trabajaba en Canadá e Inglaterra, mostró que el
decaimiento radiactivo puede ser descrito con una ecuación simple (una derivada
lineal de primer grado ahora conocida como cinética de primer orden), implicando
que dada una sustancia radiactiva esta tiene "vida media" característica (el tiempo
que toma a cierta cantidad de radiactividad presente disminuir su fuente a la mitad).
También acuñó los términos alfa, beta y gamma, convirtió nitrógeno en oxígeno y lo
más importante es que supervisó a los estudiantes que realizaron el experimento
Geiger-Marsden (experimento de la placa de oro), el cual mostró que el 'modelo del
pudín con pasas' del átomo estaba erróneo. En el modelo del pudín con pasas
propuesto por J. J. Thomson en 1904 el átomo estaba compuesto por electrones
rodeados por una 'nube' de carga positiva para balancear la carga negativa de los
electrones. Para Rutherford el experimento de la placa de oro implicó que la carga
positiva estaba confinada en un núcleo muy pequeño, dando así lugar al modelo de
Rutherford y eventualmente al modelo de Bohr del átomo, en el cual el núcleo
positivo está rodeado por los electrones negativos.
En 1934 la hija de Marie Curie (Irène Joliot-Curie) y su esposo fueron los primeros
en crear radiactividad artificial: bombardearon boro con partículas alfa para generar
el isótopo escaso en neutrones nitrógeno-13; este isótopo emitía positrones.2
Además
bombardearon aluminio y magnesio con neutrones para
hacer
radioisótopos.
Áreas principales
Artículo principal:
Radioquímica
La radioquímica es la química de los materiales radiactivos, en donde
los isótopos radiactivos de los elementos son utilizados para estudiar las
propiedades y reacciones químicas de los isótopos no radiactivos (comúnmente
dentro de la radioquímica la ausencia de radiactividad genera una sustancia descrita
como inactiva mientras que los isótopos son estables).
Química de radiación
La química de radiación es el estudio de los efectos químicos de la radiación en la
materia; esto es muy diferente de la radioquímica ya que no es necesario que se
presente radiactividad en el material que está siendo químicamente modificado por
la radiación. Un ejemplo es la conversión de agua en gas hidrógeno y peróxido de
hidrógeno.
Química para fuerza nuclear
La radioquímica, química de radiación e ingeniería químico nuclear juegan un papel
muy importante para la síntesis de combustibles precursores de uranio y torio,
comenzando por las menas de estos elementos, la fabricación del combustible, la
química de enfriamiento, reprocesamiento del combustible, tratamiento y
almacenaje de desperdicios radiactivos, monitoreo de la liberación de elementos
radiactivos durante el proceso de operación del reactor, almacenamiento geológico
radiactivo, etc.
Estudio de las reacciones nucleares
Una combinación entre radioquímica y química de radiación es utilizada para
estudiar las reacciones nucleares tales como fisión y fusión. Evidencia reciente para
la fisión nuclear fue la formación de un radio-isótopo de vida corta a partir del bario,
el cual fue aislado de un neutrón irradiado de uranio (139Ba, con una vida media de
83 minutos y 140Ba, con una vida media de 12.8 días, son productos de fisión del
uranio). En aquel entonces se pensó que este era un nuevo isótopo del radio,
posteriormente fue una práctica radioquímica estándar para utilizar sulfato de bario
precipitado en el aislamiento de radio.[8]. Recientemente, una combinación de
métodos radioquímicos y física nuclear han sido utilizados para intentar generar
nuevos elementos 'súper fuertes'; se piensa que islas de estabilidad relativa existen
en donde los núcleos tienen una vida media de año, de esta forma habilitando
grandes cantidades de los nuevos elementos para ser aislados. Para más detalles
del descubrimiento original de la fisión nuclear ver el trabajo de Otto Hahn.4
El ciclo nuclear del combustible
Esta es la química asociada con cualquier parte del ciclo nuclear del combustible,
incluyendo reprocesamiento nuclear. El ciclo del combustible incluye todas las
operaciones que tienen que ver con producir combustible, desde la minería o mena
procesada y enriquecida para la producción del combustible (Parte delantera del
ciclo). También incluye el comportamiento 'en pila' (uso del combustible en un
reactor) antes de la parte trasera del ciclo. La parte trasera incluye la administración
del combustible nuclear usado, ya sea tanto en una alberca de combustible
gastado o almacén seco antes de que sea colocado en un espacio de desperdicios
bajo tierra o de reprocesado.5
Condiciones normales y anormales[editar]
La química nuclear asociada con el ciclo nuclear del combustible puede ser dividida
en dos áreas principales, a una de ellas le concierne la operación detrás de las
condiciones planeadas, mientras que la otra área tiene que ver con una mala
operación de las condiciones, en donde una alteración de las circunstancias
normales ha ocurrido o (aún más raro) un accidente está ocurriendo.
Reprocesamiento
Legislación
En los Estados Unidos es normal utilizar combustible una vez en un reactor nuclear
antes de ubicarlo en un almacén de desechos. El plan a largo plazo es colocar el
reactor civil de combustible usado en un almacén profundo. Esta política de no
reprocesamiento comenzó en marzo de 1977 debido a las preocupaciones sobre
la proliferación de armas nucleares. El presidente Jimmy Carter emitió un decreto
Presidencial, el cual suspendía de manera indefinida el reprocesamiento comercial
y reciclaje de plutonio en los Estados Unidos. Este decreto se asemejó a un intento
de los Estados Unidos para guiar a otros países con el ejemplo, pero muchas otras
naciones continuaron reprocesando combustibles nucleares gastados. El gobierno
ruso a cargo del presidente Vladímir Putin revocó una ley en la cual se prohibía la
importación del combustible nuclear usado, la cual hacía posible para los rusos
ofrecer el servicio de reprocesamiento para clientes externos a Rusia (similar al
ofrecido por la BNFL).6
Química PUREX
El presente método de selección es para utilizar el proceso de extracción líquidolíquido PUREX que usa una mezcla de tributil fosfato/hidrocarburo para extraer
tanto uranio como plutonio a partir del ácido nítrico. Esta extracción es a partir de
las sales de nitrato y es clasificado como un mecanismo de solvatación. Por
ejemplo, la extracción de plutonio por un agente extractor (S) en un medio de nitrato
ocurre por la siguiente reacción.7
Un enlace complejo es formado entre el metal catión, los nitratos y el tributil
fosfato y un compuesto modelo de dioxouranio(VI) complejo con dos nitratos y
dos trietil fosfatos ha sido caracterizado por una cristalografía X-ray.8
Cuando la concentración de ácido nítrico es considerablemente alta, la
extracción hacia la fase orgánica se ve favorecida y por otro lado cuando la
concentración de ácido nítrico es baja, la extracción es al revés (la fase orgánica
es quitada del metal). Es normal disolver el combustible usado en ácido nítrico,
después de remover la materia insoluble el uranio y el plutonio son extraídos del
licor altamente activo. Es normal posteriormente realizar la operación inversa de
la fase orgánica generada para crear un medio activo que contenga más que
nada uranio y plutonio con únicamente trazas pequeñas de productos de fisión.
Esta mezcla de medio activo acuoso es de nuevo extraída por el tributil
fosfato/hidrocarburo para formar una nueva fase orgánica, el comportamiento
de dicha fase del metal es quitada de los metales para formar una mezcla
acuosa de únicamente uranio y plutonio. Las dos fases de la extracción son
utilizadas para mejorar la pureza del producto actínido; la fase orgánica utilizada
para la primera extracción sufrirá una dosis de radiación mucho mayor. La
radiación puede degradar el tributil fosfato en dibutil hidrógeno fosfato. El dibutil
hidrógeno fosfato puede actuar como un agente de extracción tanto para los
actínidos como para otros metales tales como el rutenio. El dibutil hidrógeno
fosfato puede hacer que el sistema se comporte de una manera más compleja
mientras tiende a extraer los metales mediante un mecanismo de intercambio
iónico (extracción favorecida por una concentración baja de ácido); para reducir
el efecto del dibutil hidrógeno fosfato es común para la fase orgánica usada que
esta sea lavada con una solución de carbonato de sodio para remover la
degradación ácida de productos del tributil fosfato.
Nuevos métodos considerados para ser utilizados a futuro
El proceso PUREX puede ser modificado para hacer un proceso UREX
(EXtracción de URanio ), el cual puede ser utilizado para salvar espacio dentro
del nivel mayor referente a sitios de desperdicios que involucran desechos
nucleares tales como el almacén de desechos nucleares Yucca Mountain, esto
al remover el uranio que genera la gran mayoría de la masa y el volumen de
combustible usado y reciclándolo como uranio reprocesado.9
El proceso UREX es un proceso PUREX que ha sido modificado para prevenir
que el plutonio sea extraído. Esto puede realizarse al añadir un reductor de
plutonio antes de la primera etapa de extracción del metal. En el proceso UREX,
alrededor del 99.9% del uranio y más del 95% del tecnecio son separados uno
del otro y otros productos de fisión y actínidos. La llave es la adición de ácido
acetohidroxámico (AHA) a la extracción y secciones de reserva del proceso. La
adición de AHA disminuye de manera significativa la extracción de plutonio
y neptunio, proveyendo una resistencia de proliferación mayor que con la etapa
de extracción de plutonio del proceso PUREX.9
Añadir un segundo agente de extracción octil(fenil)-N, óxido de N-dibutil
carbamometil fosfina (CMPO) en combinación con tributilfosfato, (TBP) el
proceso PUREX puede convertirse en TRUEX (EXtracción TRansUránica); este
es un proceso que fue inventado en EUA por Argonne National Laboratory y está
diseñado para remover los metales transuránicos (Am/Cm) de los desechos. La
idea es que al disminuir la actividad alfa de los desechos, la mayoría de los
mismos pueden ser posteriormente utilizados con mayor comodidad. En común
con PUREX, este proceso opera con el mecanismo de solvatación.9
Como una alternativa al TRUEX, un proceso de extracción utilizando
malondiamina ha sido concebido. El proceso DIAMEX (EXtracciónDIAMida)
tiene la ventaja de evadir la formación de desechos orgánicos que contienen
elementos distintos a Carbono, Hidrógeno, Nitrógeno y Oxígeno. Un desecho
orgánico de este tipo puede ser quemado sin la formación de gases ácidos que
pudieran contribuir a la lluvia ácida. El proceso DIAMEX ha sido trabajado en
Europa por la CEA francesa. El proceso es suficientemente maduro, tanto que
una planta industrial podría ser construida con el conocimiento existente del
proceso. En común con el proceso PUREX, este opera con un mecanismo de
solvatación.9[9][10]
Extracción Selectiva de Actínidos (SANEX). Como parte de la administración de
actínidos menores se ha propuesto que los lantánidos y actínidos trivalentes
menores deben ser removidos del refinado PUREX por un proceso tal como
DIAMEX o TRUEX. Para permitir a los actínidos tales como el americio ser tanto
reutilizados en fuentes industriales o utilizados como combustible entonces
los lantánidos deben ser removidos. Los lantánidos tienen largas secciones
cruzadas de neutrones y debido a esto envenenan un neutrón conducido por
una reacción nuclear. Datar el sistema de extracción para el proceso SANEX no
ha sido definido, pero actualmente distintos grupos de investigación están
trabajando hacia un proceso. Por ejemplo, la CEA francesa está trabajando en
un proceso basado en bis-triaiznil piridina (BTP).9
Otros sistemas tales como el de ácidos ditiofosfínicos están siendo trabajados
por otros tantos trabajadores.
Este es el proceso de EXtracción UNiversal, el cual fue desarrollado en Rusia y
la República Checa; es un proceso diseñado para remover
los radioisótopos más problemáticos (Sr, Cs y actínidos menores) de los
refinados que permanecen después de la extracción de uranio y plutonio a partir
de combustible nuclear. [11][12] Archivado el 13 de mayo de 2013 en Wayback
Machine. La química se basa en la interacción del cesio y estroncio con
poli óxido de etileno (poli etilenglicol) [13] Archivado el 16 de febrero de 2017
en Wayback Machine. y un anión carborano cobalto. Los actínidos son
extraídos por CMPO y el diluyente es un aromático polar tal como
el nitrobenceno. Otros diluyentes tales como el meta-nitrobenzotrifluoruro y el
fenil trifluorometil sulfona [14] han sido sugeridos de igual forma.9
Absorción de productos de fisión en superficies
Otra importante área de la química nuclear es el estudio de cómo los productos
de fisión interactúan con las superficies; esto es pensando para controlar la
liberación y migración de los productos de fisión tanto de los contenedores de
desperdicios bajo condiciones normales como reactores de fuerza bajo
condiciones de accidente. Es interesante notar que como el cromato y
el molibdato, el anión 99TcO4 puede reaccionar con superficies de acero para
formar una capa resistente a la corrosión. De esta forma estos aniones metaloxo
actúan como inhibidores de corrosión anódicos. La formación de 99TcO2 en
superficies de acero es un efecto que retarda la aparición de 99Tc de las bobinas
de desperdicio y equipo nuclear que se ha perdido antes de la descontaminación
(por ejemplo, reactores submarinos perdidos en el mar). Esta capa 99TcO2 deja
la superficie del acero pasiva, inhibiendo la reacción de corrosión anódica. La
naturaleza radiactiva del tecnecio hace de esta protección contra la corrosión
algo impráctico en la mayoría de las situaciones. También se ha demostrado
que los aniones 99TcO4 reaccionan para formar una capa en la superficie del
carbón activado (carbón vegetal) o aluminio.10[15]. Un pequeño análisis de las
propiedades bioquímicas de varias series de radioisótopos de larga vida puede
ser leída en línea.[16]
99Tc
en desperdicio nuclear puede existir en formas químicas distintas al
anión 99TcO4, estas otras formas tienen diferentes propiedades
químicas.[17] Archivado el 28 de febrero de 2017 en Wayback Machine.
De manera similar, el lanzamiento de iodina-131 en un serio accidente en un
reactor pudo ser retardado por la absorción en superficies metálicas dentro de
la planta nuclear.11
Áreas de trabajo
Algunos métodos desarrollados primeramente dentro de la química y física
nuclear se han convertido en algo tan extensamente utilizado dentro de la
química y otras ciencias físicas que tal vez debería ser una idea mejor separarlas
de la química nuclear normal. Por ejemplo, el efecto isótopo es utilizado de
manera extensiva para investigar mecanismos químicos y el uso de isótopos
cosmogénicos e isótopos de larga vidas inestables en geología, esto es bueno
considerarlo para separar química isotópica de manera separada a la química
nuclear.
Cinética (utilizada dentro de la química de mecanismos)
Los mecanismos de las reacciones químicas pueden ser investigados al
observar cómo la cinética de la reacción cambia al realizar una modificación
isotópica a un sustrato, conocido como efecto isotópico cinético. Este es ahora
un método estándar en la química orgánica. En pocas palabras, reemplazar
(protones) normales de hidrógeno por (deuterio) dentro de una molécula causa
que la frecuencia de vibración molecular de los enlaces X-H (por ejemplo C-H,
N-H y O-H) disminuya, lo cual genera un decrecimiento en la energía punto cero
vibracional. Esto puede conllevar a una disminución en el rango de la reacción
si la determinación del paso de este involucra romper un enlace entre el
hidrógeno y otro átomo.12 De este modo, si la reacción cambia en un rango
cuando los protones son reemplazados por deuterio, es razonable asumir que
el rompimiento del enlace a hidrógeno es parte del paso que determina el orden.
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