IGUAL que cualquier otro fenómeno físico, la radiación ionizante debe tener un origen, una procedencia, que es importante conocer porque es la primera etapa de su vida, generalmente efímera. Conocer los métodos distintos de producción de las radiaciones nos permite, a su vez, tomar los pasos necesarios para producirla de propósito cuando se requiere. En realidad, de algún lado tiene que salir. Además, debe adquirir energía de alguna manera para ser considerada como radiación ionizante.
La mayor parte de la radiación que recibimos cotidianamente existe por la misma naturaleza. Como tal, se ha producido y seguirá produciéndose durante toda la vida del universo; y así como existe en nuestra Tierra, también existe en el Sol, en los otros planetas y en las galaxias mas lejanas. Tan forma parte de la naturaleza, que está estrechamente ligada con el equilibrio de energía en la misma formación de las estrellas y demás cuerpos celestes. Pudo haber desempeñado un papel importante en el origen de la vida y en la evolución de las especies. No hay ninguna manera en que podamos evitar recibir radiación natural, y nuestros cuerpos están adaptados a pequeñas cantidades de ella.
Veamos algunos ejemplos de radiación natural. Comencemos por la radiación cósmica. Como su nombre lo indica, proviene del espacio exterior, lo cual es evidente porque es más intensa a grandes alturas y, en cambio, disminuye considerablemente si se mide en túneles subterráneos o bajo agua donde es absorbida al pasar por materia. Los rayos cósmicos que llegan a las capas externas de la atmósfera constan de núcleos atómicos (de carga positiva), principalmente protones y partículas alfa. Constituyen un continuo bombardeo a nuestro planeta, aparentemente desde todas direcciones, excepto por un efecto producido por el magnetismo terrestre, que disminuye su intensidad cerca del ecuador y que, por tanto, nos indica que se trata de partículas con carga eléctrica. A medida que penetran en la atmósfera van sufriendo choques con los núcleos atómicos de los gases. En estos choques se producen nuevas radiaciones, parte de las cuales llega a la biósfera. Una fracción de éstas está constituida por electrones, positrones y rayos gamma; otra, por mesones.
Es interesante notar que la observación y medición de los rayos cósmicos llevó al descubrimiento de los mesones, partículas de masa intermedia entre protones y electrones, y que habían sido predichas teóricamente. Cuando se observaron por primera vez los mesones, no había dispositivo artificial que proporcionara suficiente energía para producirlos, pero pocos años después se comenzaron a construir aceleradores capaces de producir mesones y muchas otras partículas en el laboratorio. Típicamente, el bombardeo cósmico produce mesones p o piones, que posteriormente decaen en mesones m o muones, que luego se desintegran en electrones y positrones.
Las energías que alcanzan algunos de los rayos cósmicos primarios pueden ser de 1017 eV. Estas energías son demasiado altas para que las partículas puedan provenir de reacciones nucleares, por lo que se piensa que adquieren su energía en campos magnéticos y eléctricos que varían lentamente, empujando a las partículas hasta que adquieren altas velocidades. Luego viajan enormes distancias y algunas de ellas llegan por casualidad a la Tierra.
Al llegar se encuentran de inmediato con núcleos atómicos de nuestra atmósfera y se producen reacciones nucleares y reacciones entre partículas. Podemos describir estas reacciones por ejemplo como sigue: p+ + p+ ® p+ + n + p+, en que un protón con carga positiva choca con otro protón, resultando del choque un protón, un neutrón y un pión positivo. Este pión posteriormente puede decaer en un muón y un neutrino, como sigue: p++ ® u+ + n; y el muón a su vez en positrón, neutrino y antineutrino: m++ ® e+ + n + n. Éstos son sólo algunos ejemplos de cómo una partícula con alta energía es capaz de producir verdaderas cascadas de muchas otras, algunas de las cuales atraviesan la atmósfera y llegan hasta la superficie, a la cual bombardean continuamente.
Algunas de estas reacciones producen neutrones, y algunos de éstos producen la reacción nuclear 14N + n ® p + 14C con el nitrógeno de la atmósfera. El 14C producido se mezcla con el resto del carbono en el bióxido de carbono de la atmósfera y pasa finalmente a formar parte integral de todo ser vivo. Como es radiactivo, pues emite partículas b, y además tiene larga vida media, se transforma en una importante fuente natural de radiación a la que todos estamos expuestos.
El tritio es otra fuente de radiación natural. Se trata del isótopo más pesado del hidrógeno, 3H, también formado como resultado de la radiación cósmica y a veces en el laboratorio y en los reactores y explosiones nucleares. Existe en cantidades minúsculas (solo un tritio por cada 1017 núcleos de hidrógeno), pero como está en forma de gas y sufre las mismas reacciones químicas que el hidrógeno normal, se encuentra ampliamente diseminado. También decae por emisión de partículas b.
Hay otros elementos que son fuentes naturales de radiación, pero que, en vez de ser producidos por los rayos cósmicos han existido en la Tierra desde su formación, habiéndose creado sus núcleos por los mismos procesos por los que fueron creados todos los demás elementos. Se trata de elementos como el potasio 40K y el uranio. Son elementos sólidos que se encuentran en mayor o menor proporción distribuidos en todos los suelos y otros materiales a base de tierras o rocas, como el concreto u hormigón, tabiques, cerámicas, adobe, yeso, etc. Aproximada mente uno de cada 10 000 núcleos de potasio es 40K, emisor de rayos b.
El uranio es de especial interés, no sólo por ser fuente natural de radiactividad, sino por su empleo como combustible nuclear. De los tres isótopos que se encuentran en la naturaleza, el 238U, el 235U y el 234U, hay 99.27%, 0.72% y .006% respectivamente. Todos emiten partículas a. Aunque el uranio se encuentra ampliamente diseminado en suelos, hay algunos lugares en que se encuentra en mayor concentración, suficiente para que se pueda extraer para combustible. Algunos de estos yacimientos se encuentran en el norte de la República Mexicana, pero los más conocidos están en Zaire, Canadá, los Estados Unidos, la URSS y Australia.
El uranio desempeñó un papel importante en la historia de la ciencia, pues en 1896 A. H. Becquerel descubrió la radiactividad natural emitida por sales de uranio, lo cual abrió las puertas para la era nuclear. También es importante por su asociación con el radio (Ra), elemento cuya radiactividad ha encontrado múltiples usos. El radio es uno de los elementos que se produce por la desintegración del uranio, así que donde existe uno existe el otro. Fue descubierto en 1898 por Pierre y Marie Curie.
El uranio y el radio se encuentran en forma sólida corno parte de la corteza terrestre, por lo que la radiación que emiten la absorbe en buena parte la tierra o se distribuye en forma de polvos. Pero el 226Ra decae en otro elemento, el radón (Rn), gas inerte que no forma compuestos químicos y que, por lo tanto, escapa al aire, donde puede ser respirado. Emite partículas a y tiene una vida media de 3.82 días, suficiente para moverse distancias importantes antes de transformarse en otro elemento, el polonio (Po), que a su vez es radiactivo. La figura 26 muestra la cadena de decaimiento del 238U, en donde aparecen el radio, el radón y el polonio.
El radón atmosférico constituye como una tercera parte de la radiación ambiental que recibimos. Desde luego, su abundancia varía de lugar a lugar, siendo mayor cerca de donde hay más uranio, o en lugares mal ventilados. En sitios volcánicos se ha observado que la actividad volcánica generalmente va acompañada de la emisión de radón, por lo que en la actualidad se mide sistemáticamente la radiactividad del aire en sitios potencialmente peligrosos para predecir terremotos o erupciones. La emisión de radón que acompañó la erupción del volcán Chichonal en el Estado de Chiapas fue detectada a 400 kilómetros de distancia.
Las radiaciones y fuentes de radiación descritas hasta aquí son parte de la naturaleza, y constituyen casi la totalidad de la radiación que incide sobre una población que no recibe servicios médicos radiológicos. Pero también podemos producir nuestra propia radiación.
Si se recuerda que las radiaciones de distintos tipos son partículas subatómicas o son producidas por ellas, y uno mira a su alrededor para ver qué partículas de éstas podrían emplearse como radiaciones, se concluye que para empezar contamos sólo con los núcleos y electrones atómicos. Para que puedan tener los efectos típicos de la radiación, necesitan alta energía, o sea, moverse a grandes velocidades. Cómo aislar a los electrones o núcleos y cómo acelerarlos a altas velocidades constituyen las bases para la creación artificial de radiación.
Habrá que recordar que los núcleos tienen carga eléctrica positiva y los electrones la tienen negativa, por lo que se atraen entre sí para formar átomos. Pero lo que se requiere son partículas aisladas, así que habrá que romper la liga entre ambos. Por otro lado, núcleos contra núcleos se repelen, y electrones contra electrones también. Si queremos aislar cualquiera de estas partículas y tenerlas libres suficiente tiempo para poder luego acelerarlas, lo debemos hacer en un espacio enrarecido, para que no se recombinen otra vez por sus cargas eléctricas. Necesitamos que puedan viajar ciertas distancias sin encontrarse otras que las desvíen o las anulen eléctricamente. Para esto se requiere un alto vacío, que es una atmósfera enrarecida hasta 1012 veces, es decir, un billón o millón de millones de veces. La tecnología del alto vacío ha sido piedra angular en el desarrollo de los aceleradores (véase la Fig. 27).
Figura 27. Sistema de ultraalto vacío que se emplea para producir recubrimientos muy delgados.
Ahora bien: las partículas más sencillas de acelerar son los electrones. Algunos metales u óxidos metálicos los sueltan con un simple calentamiento. Esto sucede en los filamentos de los bulbos de los radios antiguos o en los cinescopios de televisión. Una corriente eléctrica los calienta como la resistencia de una plancha, y encontrándose en vacío, emiten electrones. Una vez libres, los electrones pueden ser acelerados mediante un alto voltaje.
En la figura 28 se muestran los componentes básicos de un acelerador. El filamento F se calienta con la fuente de alimentación A, y entonces emite electrones E; éstos se dirigen a la placa P, a la cual se le aplica un alto voltaje positivo mediante la fuente de alimentación B. Filamento, placa y electrones están dentro de un recipiente al alto vacío. La energía cinética que adquieren los electrones al acelerarse depende del voltaje aplicado según la fórmula E=eV, o sea, es el producto de la carga del electrón (e) y el voltaje aplicado (V). Por ejemplo, un electrón acelerado por un voltaje de un volt adquiere una energía de un electrón-volt. Si el voltaje es de un millón de volts, la energía de los electrones será de un millón de electrón-volts (l06 eV, o 1 MeV). Si su velocidad no es muy alta, puede calcularse con la fórmula de la energía cinética, E = 1/2mv² (m es la masa de la partícula), o bien despejando, . Si la velocidad se acerca a la velocidad de la luz, la fórmula cambia, pero siempre con mayor energía, mayor velocidad. Con objeto de tener una idea sobre las magnitudes de energía podemos mencionar que para ionizar átomos de hidrógeno se necesitan 13.6 eV; para producir rayos X de tungsteno se requieren 70 000 eV (70 keV); para inducir reacciones nucleares, millones de eV (MeV); para crear mesones p, 1.4 X l08 eV (140 MeV).
Veamos algunos ejemplos de aceleradores de electrones. Los bulbos de los radios tienen los componentes básicos de un acelerador (Fig. 28). En ellos el propósito no es producir radiación, sino controlar una corriente eléctrica. Efectivamente, el haz de electrones que va del filamento a la placa constituye una corriente eléctrica que se mide en amperes o fracciones de ampere. En general, los bulbos tienen por lo menos un electrodo adicional intermedio para controlar el haz de electrones y con ello la corriente.
Figura 28. Elementos principales de un acelerador. El filamento F lleva una corriente eléctrica proporcionada por la fuente de alimentación A; los electrones E que emite son acelerados hacia la placa P por el voltaje B.
Muchos tenemos en casa un acelerador de electrones, aunque no lo llamamos así: lo llamamos televisor. Tiene los elementos básicos, además de uno que hace que el haz de electrones ejecute un rastreo rápido sobre la pantalla cuando llegan a los materiales llamados fósforos que están depositados en la parte interior de la pantalla del cinescopio, se produce la luz que nos da la imagen.
Algunos médicos y dentistas usan otro acelerador de electrones, aunque tampoco lo llaman así; se trata del generador de rayos X. En éste el propósito sí es el de producir radiación. Si el alto voltaje del generador es de unas decenas de miles de volts, al bombardear los electrones la placa (en este caso llamada anticátodo), ésta emite rayos X. Por su gran capacidad de penetración, los rayos X pasan las paredes del recipiente hacia el aire, y por ello se pueden emplear para sacar radiografías o para radioterapia.
Avanzando en energía y en complejidad, tenemos los aceleradores electrostáticos, que pueden alcanzar varios millones de volts. De ellos emergen los electrones casi a la velocidad de la luz; son capaces de penetrar hasta varios centímetros de material produciéndole un gran daño y calentamiento. Si se pone una placa de un metal pesado como blanco, el bombardeo produce grandes cantidades de rayos X. Estos aparatos están diseñados precisamente para producir mucha radiación, cuyos efectos pueden emplearse de varias maneras, por ejemplo, para esterilizar productos médicos, para la conservación de alimentos sin necesidad de refrigeración, para desinfestar productos agrícolas, vulcanizar hules, polimerizar plásticos, curar tintas y pinturas y muchas más. Es tal la cantidad de radiación que pueden producir los aceleradores electrostáticos, que puede ser letal simplemente entrar al recinto de bombardeo. Requieren de edificios especiales con paredes gruesas que absorban la radiación, y sistemas de seguridad en las puertas para apagar la máquina si éstas se abren accidentalmente.
Para los aceleradores electrostáticos desde luego es esencial la fuente de alto voltaje. Las primeras fuentes fueron inspiradas por el deseo de estudiar la estructura de la materia. Por un lado R. Van de Graaff, en la Universidad de Princeton, y por otro J. D. Cockroft y E. T. S. Walton, en Cambridge, Inglaterra, desarrollaron fuentes de alto voltaje, con las que se llevaron a cabo las primeras reacciones nucleares sin usar fuentes naturales de radiación. El acelerador de Van de Graaff (véase la Fig. 29) alcanzó altos voltajes por medio de una banda aislante móvil que transportaba cargas y las depositaba en la terminal. El de Cockroft y Walton consistía en una serie de rectificadores eléctricos que sólo permitían corriente eléctrica en una dirección. Después de ellos se construyeron otros aceleradores electrostáticos, como el Dinamitrón, que se parece al Cockroft-Walton pero trabaja a altas frecuencias, y el Peletrón, que transporta la carga por una cadena móvil de pequeños barriles metálicos unidos por aisladores. En la actualidad el Instituto de Física de la UNAM posee dos aceleradores de electrones para investigación, un Van de Graaff de 2 MeV (Fig. 30) y un Dinamitrón de 3 MeV. En la Universidad de Guanajuato se construyó un Van de Graaff de 0.6 MeV.
Figura 29. Esquema de un acelerador tipo Van de Graaff. La fuente de alimentación A transmite carga eléctrica a la banda B, que es accionada por las poleas P; transporta la carga y deposita en la terminal de alto voltaje T. El filamento F produce electrones, que el tubo acelerador TA enfoca y dirige, además de acelerarlos a altas velocidades.
Figura 30. Acelerador Van de Graaff de 2 MeV de electrones en el Instituto de Física de la UNAM. En la parte inferior se observa el motor que acciona la polea. Los 44 platos equipotenciales van conectados en el interior al tubo acelerador. Se retiró la cubierta de la terminal de alto voltaje para poder ver parte de los circuitos del filamento.
El microscopio electrónico (Fig. 31), tan ampliamente utilizado, es otro aparato que tiene las características básicas de un acelerador. En él se produce un haz de electrones más fino que cualquier rayo de luz. Después de atravesar la muestra, se amplifica usando lentes magnéticos en lugar de ópticos, y así se obtienen amplificaciones hasta miles de veces mayor que las de los microscopios ópticos. Los electrones se proyectan sobre una pantalla fluorescente que permite ver y fotografiar la imagen. Si además se induce un rastreo del haz sobre la muestra y se registran los electrones dispersados, se tiene un microscopio electrónico de barrido, que produce imágenes como las de las figuras 32, 33 y 34.
Figura 31. Microscopio electrónico de transmisión y de barrido en el Instituto de Física de la UNAM.
Figura 32. Fotografía de la cabeza de una mosca, tomada con el microscopio electrónico de barrido del Instituto de Investigaciones en Materiales de la UNAM. Se logra un detalle y una profundidad de campo que ningún microscopio óptico es capaz de proporcionar.
Figura 33. Detalle del ojo de la misma mosca.
Figura 34. El microscopio electrónico de barrido se usa frecuentemente para estudiar propiedades de materiales. Aquí se observa con claridad la estructura cúbica de la red cristalina de un mineral.
En radioterapia con electrones se usan los aceleradores llamados lineales. En vez de aplicar un voltaje muy alto una sola vez, el principio de su funcionamiento es el de aplicar altos voltajes modestos repetidamente. Mejor aún: en la actualidad se usa la técnica de empujar un conjunto de electrones con una onda eléctrica de velocidad creciente, algo así como un deslizador que se acelera montado sobre una ola frente a la playa.
Si uno quiere acelerar núcleos atómicos en vez de electrones, hay dos diferencias esenciales en la técnica requerida: a) el alto voltaje debe ser positivo para repeler la carga positiva de los núcleos, y b) en vez de filamento se necesita una fuente de iones, en la cual se ioniza un gas para separar los núcleos y luego poderlos acelerar. Por lo demás los aceleradores de iones positivos se parecen mucho a los de electrones. Tal vez podría mencionarse una diferencia en los tamaños de imanes requeridos para desviar unos y otros: un lanzador de martillo necesita mucha más fuerza para girar la bola que si uno amarrara una canica a un hilo y la hiciera dar vueltas; análogamente, siendo los iones positivos miles de veces más pesados que los electrones, se necesitan imanes mucho más grandes para desviarlos. Casi siempre los aceleradores de iones van acompañados de imanes de hierro de varias toneladas (Fig. 35).
Figura 35. Electroimán de dos toneladas que va conectado al acelerador Van de Graaff de 700 keV del Instituto de Física de la UNAM. Las tuberías de la derecha son salidas para el haz de iones positivos.
Los mismos modos ya mencionados de obtener altos voltajes se aplican a los aceleradores de iones. Estos se volvieron tan fáciles de adquirir que en las décadas de los años 50 y 60 la mayoría de las grandes universidades del mundo poseían uno con el propósito principal de investigar la estructura de los núcleos mediante reacciones nucleares. El Instituto de Física de la UNAM cuenta con un Van de Graaff de 700 keV, y se está instalando otro de 5.5 MeV. Una variedad interesante del acelerador electrostático es el llamado Tandem, uno de los cuales se encuentra en el Centro Nuclear de Salazar. En él se usa un método ingenioso de manipulación de átomos para duplicar la energía. Así, con 6 000 000 de volts se logran energías de protones de 12 MeV.
El ciclotrón fue uno de los primeros aceleradores de iones positivos. En él se usa el principio de los aceleradores lineales de aplicar un voltaje repetidas veces a la partícula. Para poder usar sólo dos electrodos, todo se pone dentro de un campo magnético para que regresen y pasen de uno a otro, cada vez con más energía y órbita más amplia (véase la Fig. 36). Tras los ciclotrones surgieron los sincrociclotrones, los sincrotrones y otros, cada uno con más energía y por lo tanto más grande.
Figura 36. Esquema simplificado de un ciclotrón. Una fuente de alimentación A aplica un voltaje alterno a los dos electrodos en forma D. Todo está dentro de un campo magnético perpendicular al papel, así que los iones que salen de la fuente de iones F siguen trayectorias curvas. Al pasar alternadamente de un electrodo a otro, son acelerados.
La física nuclear y la física de las partículas elementales necesitan información de experimentos con proyectiles cada vez más energéticos. Cuanto más profundamente se indaga dentro del núcleo, más energía se necesita. Por eso la tendencia es hacia aceleradores más grandes. En la actualidad se trabaja con instalaciones verdaderamente gigantescas. Por ejemplo, el Tevatron II de Fermilab, en los Estados Unidos, produce proyectiles de 800 GeV, o sea, 800 X 109 eV; tiene un diámetro de 2 km., y en el interior del anillo pasta una manada de búfalos. En el Centro Europeo de Investigaciones Nucleares (CERN) ubicado en Suiza se tiene un acelerador que hace chocar dos haces de partículas, cada uno de 300 GeV, para un total de 600 GeV; su diámetro es de 2.2 km. Estas instalaciones rebasan totalmente las posibilidades de las universidades, por lo que muchos de los experimentos de física nuclear y física de altas energías se efectúan ahora en grandes laboratorios nacionales o multinacionales. Estos laboratorios están abiertos a científicos de todo el mundo interesados en usarlos para sus experimentos.
En la actualidad se está trabajando en el proyecto de lo que será el goliat de dos aceleradores. Se trata del SSC (Superconducting Super Collider ), un doble anillo cuyo diámetro será de entre 30 y 60 kilómetros. En cada anillo se acelerarán protones en sentidos opuestos para finalmente hacerlos chocar con energía de 40 TeV (40 X 1012 eV). Una estimación de su costo, incluyendo equipo periférico, es de 4 000 millones de dólares; podría subir hasta 6 000 millones.
Vale la pena ahora preguntarse cuál será el siguiente paso. De construirse el SSC seguramente se obtendrá una cantidad nueva de información que nos ayude a esclarecer aún más los secretos de la naturaleza. De antemano nadie sabe cuántos descubrimientos habrá y si estos descubrimientos serán acordes con la visión actual de la materia y las fuerzas, o habrá que producir nuevas teorías que a su vez requieran de más información para probarse. ¿Habrá límite? Hasta ahora, siempre que se ha pensado haber llegado ya al final de la explicación, han surgido nuevos fenómenos. Por ejemplo, cuando se consideraba al átomo como la partícula indivisible, surgió la radiactividad y los rayos X, que no se podían explicar. Considerados en un principio como rarezas, llevaron, sin embargo, al descubrimiento de los electrones y los núcleos. De ahí a los protones y neutrones, a los mesones y neutrinos, y a muchas partículas más, hasta los cuarks y los gluones. Algunos científicos sienten que no hay razón para pensar que éste será el final.
Seguramente llegará el tiempo en que la demanda de medios para seguir con la búsqueda rebase las posibilidades económicas de cualquier país o grupo de países. Más que conformarse, los científicos seguramente buscarán nuevas opciones, pues la curiosidad humana no tiene límites. Una posibilidad sería desarrollar nuevos conceptos y tecnologías para la fabricación de aceleradores que fuesen más sencillos y baratos. Otra sería aprovechar nuevamente el gran acelerador que es el universo, que con sus campos en continuo cambio, nos bombardea con rayos cósmicos todavía de mayor energía que el SSC. Sin embargo, esta última opción está limitada por la pequeña cantidad de rayos cósmicos que nos llega.
La verdad es que la tecnología de aceleradores siempre ha estado estrechamente ligada con el desarrollo, y los países industrializados han sabido aprovechar esta tecnología en multitud de aplicaciones que a su vez propician el desarrollo. Podemos mencionar, como ejemplos, la tecnología de los altos vacíos, la microelectrónica, los campos magnéticos, la computación, las altas frecuencias, los detectores de radiación y la radioterapia. Los aceleradores de iones positivos de energías menores (de los keV a los MeV) se usan ahora en toda una serie de aplicaciones y también en investigación básica.
Un ejemplo es la implantación de iones. Como su nombre lo indica, con esta técnica se toman iones energéticos producidos en un acelerador y se lanzan sobre un sólido. Su alta energía hace que penetren cierta distancia en el sólido, y luego quedan inmóviles a una profundidad determinada, constituyendo una imperfección en el material. La implantación de iones escogidos apropiadamente, y a una profundidad también seleccionada, permite crear nuevos materiales o cambiar las propiedades de los materiales conocidos. La aplicación más notable de la implantación se encuentra en la electrónica moderna, en la creación de microcircuitos, gracias a los cuales se pueden hacer cosas cada vez más complejas y a un costo que se reduce cada vez más. Por ejemplo, una computadora que hace 30 años ocupaba un cuarto grande completo ahora equivale a una calculadora de mano. Los microcircuitos que han permitido esto están hechos de silicio al cual se le han introducido, por implantación de iones, pequeñas cantidades de átomos extraños para darle sus propiedades de semiconductor. Las superficies de metales, por su lado, también mejoran en cuanto a dureza, resistencia al desgaste y fricción, si se les implantan átomos apropiados.
Otro uso que se da en la actualidad a los aceleradores es como instrumentos analíticos, por ejemplo, para producir la activación con neutrones. En esta técnica se producen reacciones nucleares que generan grandes cantidades de neutrones. Éstos, al incidir sobre una substancia, la vuelven radiactiva, gracias a lo cual se pueden después identificar los elementos de la substancia por los rayos g característicos que emiten. Otro modo de analizar la substancia en cuestión es bombardearla directamente con un haz de protones; éstos ionizan al material, que luego emite rayos X. Nuevamente, los rayos X son característicos del material y se pueden identificar los elementos que lo componen.
Más adelante tendremos oportunidad de describir otras técnicas analíticas que se apoyan en los aceleradores. Pero por el momento volvamos a la descripción de otras fuentes de radiación. Una fuente muy importante es el reactor nuclear, que además de tener capacidad de producir energía que se usa comercialmente, genera radiación, por lo cual forzosamente hay que cumplir con requisitos muy especiales en el diseño de los reactores y sus edificios.
En realidad, en un reactor nuclear la radiación no es un producto secundario indeseado, sino que es parte integral de su operación, sin la cual no funcionaría. Los reactores nucleares trabajan a base de fisionar (o sea romper en dos partes) núcleos pesados, como el de uranio o plutonio. La ecuación de Einstein E = mc² rige el comportamiento de una fisión nuclear, y como la masa del núcleo original (v. gr., el uranio) es mayor que la suma de las masas de los fragmentos que salen, el sobrante se convierte en energía cinética de los fragmentos. Éstos calientan el material del derredor al atravesarlo (véase la Fig. 37). En una planta nuclear este calor se convierte en electricidad.
Figura 37. En una fisión nuclear el núcleo de de uranio es partido por un neutrón. Los fragmentos que resultan se reparten la energía excedente.
La reacción de fisión es provocada por un neutrón. De hecho existe la fisión espontánea, pero es muy rara, así que para provocarla artificialmente se usa una fuente de neutrones. Ahora bien: fortuitamente la fisión nuclear produce neutrones de alta velocidad además de los dos fragmentos pesados, y estos neutrones pueden ser forzados a producir nuevas fisiones en otros núcleos de uranio. Se produce así la llamada reacción en cadena, que permite que un reactor produzca de manera controlada gran número de fisiones y, por lo tanto, mucho calor para generar electricidad. Se dice que un reactor es crítico cuando una vez encendido mantiene su operación continua en base a la reacción en cadena (véase la Fig. 38).
Figura 38. Una reacción en cadena. Los puntos representan neutrones y los círculos núcleos fisionados. Si de cada fisión salen dos neutrones, y cada uno produce una nueva fisión, el número de fisiones se duplica en cada paso: 1, 2, 4, 8, 16, 32, etcétera.
El diseño de un reactor nuclear es muy complicado, pues hay que garantizar varias cosas. Para empezar se necesita que haya suficientes núcleos de uranio fisionable (masa crítica). El mineral de uranio contiene 99.27% de 238U y sólo 0.72% de 235U pero el isótopo que se fisiona es el 235. Esto obliga a separar los isótopos en el mineral y enriquecerlo en el 235. La tecnología del enriquecimiento de uranio es básica para el desarrollo de la energía nuclear. Se han usado varios métodos para lograrlo; entre ellos, la separación magnética, la difusión gaseosa y las ultracentrífugas. La masa crítica de uranio es la cantidad que garantiza la reacción en cadena sostenida en un reactor.
En segundo lugar, se requiere que haya suficientes neutrones para sostener la reacción en cadena. Por cada neutrón que produce una fisión salen dos o tres, así que parecería que el proceso está asegurado. Sin embargo, se deben cuidar varios aspectos. Uno es que los neutrones no se vayan; es decir, que los que escapan deben ser reflejados otra vez hacia el corazón del reactor, donde está el uranio. Otro es evitar que desaparezcan al ser absorbidos por los materiales circundantes, lo cual restringe los elementos y su pureza que se pueden usar en un reactor. También sucede que los neutrones producen fisiones preferentemente cuando tienen baja velocidad, o sea, cuando son térmicos, por lo que se requiere un material moderador que en unos cuantos choques les reduzca la energía.
Un reactor debe tener también un mecanismo de control para regular su nivel de operación. Esto se logra con barras de un material que absorba gran cantidad de neutrones, como el cadmio, y que puedan introducirse o sacarse según se desee frenar o permitir la reacción en cadena. Estas barras de control también pueden apagar el reactor en caso necesario, por ejemplo, si la temperatura se eleva demasiado.
Los reactores de potencia necesitan, además, un medio que pueda conducir el calor producido, por ejemplo, para mover las turbinas generadoras. En la mayoría de los reactores este medio es agua o vapor a alta presión y alta temperatura. Este medio envuelve al uranio y necesariamente afecta a los neutrones que se producen, así que debe tener propiedades acordes con la operación del reactor.
Finalmente, entre los factores más importantes del diseño de un reactor está la selección de los materiales que soporten la alta temperatura y la radiación intensa. El uranio generalmente se usa en forma de pequeños cilindros de óxido de uranio contenidos dentro de una vaina de una aleación a base de zirconio. Un conjunto de estas barras forma el corazón del reactor. Cuando el uranio se agota, pueden ser substituidas una por una. Estos materiales, además de encontrarse a alta temperatura, están sujetos a una enorme cantidad de radiación, la cual les produce daños estructurales que dan lugar a deterioro, corrosión y fallas mecánicas. El estudio de daños por radiación en materiales resulta de gran importancia.
Aunque de un reactor a otro hay diferencias de diseño importantes, las partes básicas se muestran esquemáticamente en la figura 39.
Figura 39. Esquema de un reactor nuclear típico.
¿Cuáles son entonces las radiaciones que salen de un reactor nuclear? En primer lugar, los neutrones. Los reactores de potencia están diseñados para que los neutrones estén confinados en el área central del reactor donde sostienen la reacción. En los reactores de investigación se tienen tubos evacuados por los que se permite la salida de un haz de neutrones para hacer experimentos de física nuclear. Incluso se emplean dispositivos llamados monocromadores que seleccionan su energía, dejando pasar neutrones monoenergéticos. Éstas son las fuentes más intensas y controladas de neutrones; con ellas se hacen experimentos de difracción de neutrones en sólidos, de análisis por activación, de reacciones nucleares, de radiografías con neutrones y muchos más. Estas instalaciones, junto con los aceleradores de partículas, constituyen las herramientas más poderosas para la investigación nuclear.
Otra radiación importante en los reactores es la producida mediante la activación por bombardeo de neutrones. Ciertos elementos los pueden absorber, y con ello se transforman isótopos radiactivos. Esta es la técnica para producir radioisótopos, que han tenido diversos usos. Sin embargo, se quiera o no, en las inmediaciones del corazón de un reactor hay un intenso bombardeo de neutrones sobre todos los materiales, y algunos de ellos se activan, como el gas argón (Ar) del aire, que activándose forma 41Ar, emisor de partículas b de vida media de 109 minutos. El diseño del edificio de un reactor debe estar provisto de sistemas para impedir el escape de substancias activadas.
Finalmente, los reactores producen radiación porque los productos de fisión generalmente son radiactivos. Estos fragmentos de la fisión del uranio quedan en los elementos combustibles después de que se gastó el uranio y hay que extraer las barras. La gran mayoría son de vida media muy corta, pero hay algunos, como el 90Sr y el 137Cs, que tienen vidas medias de alrededor de 30 años, y cuya actividad, por lo tanto, persiste largo tiempo. Se tiene que disponer de estas barras usadas de manera que no constituyan un peligro ni en el presente ni en el futuro.
Las explosiones nucleares producen de manera no controlada gran cantidad de productos de fisión y productos de activación nuclear. En los años 50, en que las pruebas de explosiones se hacían al aire, estas substancias radiactivas entraban a la atmósfera y luego a la estratosfera para después caer lentamente y diseminarse sobre todo el globo terrestre. Esta precipitación radiactiva se evita en la actualidad, pues los países que detonan bombas lo hacen bajo tierra, y por lo tanto la contaminación es sólo local.
Como ya lo dijimos, los reactores nucleares tienen la capacidad de producir radioisótopos, que a su vez son fuente de radiación. Si uno coloca de propósito ciertos elementos en el corazón de un reactor, el bombardeo los puede volver radiactivos. Por ejemplo, un compuesto de sodio puede sufrir la reacción 23Na (n, y) 24Na, y el 24Na es radiactivo: emite partículas b con vida media de 14.8 horas. La técnica permite obtener gran variedad de radioisótopos de diversos usos, como el 32P, el 60Co, el 131I, el 198Au, y muchos otros. Los radioisótopos tienen la particularidad de que pueden ser transportados al sitio donde se usan. Pueden servir para registrar flujos de líquidos, con lo cual se evita el empleo de grandes aparatos. Pueden inyectarse al organismo para diagnóstico médico. Se puede tener en una cápsula pequeña una radiación grande, circunstancia que les da gran utilidad pero que también los vuelve peligrosos si se les da mal uso.
También es posible obtener fuentes radiactivas tan sólo aislando químicamente elementos que aparecen en la naturaleza, como el radio o el americio; los primeros trabajos de investigación sobre radiación fueron hechos con este tipo de fuente.
Comentemos ahora sobre un aspecto que parece trivial, pero que puede ser de gran importancia. No es posible apagar los radioisótopos como las otras fuentes de radiación artificial. Una vez creado el radioisótopo, decae con su propia vida media, y nada lo puede impedir, salvo una nueva transformación nuclear (caso poco probable). Por ejemplo, el 60Co de un irradiador de hospital continuamente emite rayos g. Se le coloca dentro de un recipiente con blindaje de plomo con una compuerta que se abre para dejar salir la radiación en el momento que se desee, pero el cobalto nunca deja de emitir. Esto lo hace sumamente confiable como fuente de radiación, pero al mismo tiempo exige atención constante para impedir que por equivocación se abra la compuerta, o peor aún, que la fuente sea extraída indebidamente de su recipiente blindado. Esta clase de accidente ha sucedido y ha costado vidas. Los aceleradores, en cambio, pueden apagarse, con lo cual cesa al instante toda la radiación; basta con desconectarlo. Su radiación puede ser letal, pero es posible interrumpir su operación en el momento que se desee.
No sería completa nuestra descripción de fuentes de radiación sin mencionar las fuentes portátiles de neutrones en contraste con las fuentes fijas, que son los aceleradores y los reactores. Se trata de fuentes radiactivas que emiten partículas a, como el radio o el americio, en forma de polvo, que se mezclan con polvo de berilio para provocar la reacción 9Be (a, n) 12C, que tiene una copiosa producción de neutrones. La cápsula es pequeña y se puede transportar para estudios de campo; por ejemplo para medir, la humedad del subsuelo o la presencia de hidrocarburos mediante la dispersión de neutrones.
Cuadro 7. Fuentes y radiaciones que producen
Fuente Radiación producida
radiación cósmica e-, e+, g, p, n, p, m
minerales radiactivos y sus subproductos a, b±,g
aceleradores p, e, iones pesados, a, b±,g, n,
X, p, otras partículas elementales
reactores nucleares n, productos de fisión, b, g,
radioisótopos
radioisótopos a, b±,g, (n)
Por todo lo aquí expuesto, resulta evidente que por un lado estamos inevitablemente expuestos a cierta cantidad de radiación del medio ambiente, y por otro lado el hombre se las ha ingeniado para crear muchas fuentes distintas de radiación. El cuadro 7 es un resumen de algunas de las fuentes y el tipo de radiación que producen. Esta radiación, bien usada, puede producir múltiples beneficios a la humanidad.