Partículas elementales, masa y bosón de Higgs

Visita del profesor McManus al túnel del gran colisionador de hadrones (LHC) donde se han realizado los experimentos que han permitido demostrar la existencia del bosón de Higgs.

Visita del profesor McManus al túnel del gran colisionador de hadrones (LHC) donde se han realizado los experimentos que han permitido demostrar la existencia del bosón de Higgs.

Seguro que en el Instituto te han repetido una y mil veces que el Universo está formado por materia y energía, que la materia es aquello que “se puede tocar”, que tiene masa y que la energía es una propiedad asociada a los cambios que puede sufrir la materia. Y de esta forma, asumimos esta sencilla estructura dual del Universo en la que todo cabe en uno de esos dos compartimentos bien diferenciados. Nuestros sentidos nos sugieren que el modelo se ajusta bien a lo que percibimos: Por una parte está los que vemos y podemos tocar y, por otra, un algo escurridizo, que puede transmitirse y que hace que eso que vemos y podemos tocar no sea siempre igual y modifique sus características.

También aprendemos que la masa (que definimos como cantidad de materia), a diferencia del peso, es una propiedad invariable de los objetos materiales, y nos sentimos satisfechos cuando comprendemos que, mientras que nuestro peso varía porque depende de la interacción con el campo gravitarorio de cada planeta (que es diferente  en cada caso), nuestra masa siempre es la misma porque no depende de ninguna interacción.

La verdad es que el modelo es útil y funciona muy bien a nuestra escala para comprender nuestro mundo cotidiano. Pero si nos seguimos haciendo preguntas y queremos comprender el Universo más allá de nuestra experiencia directa, a la escala más pequeña y elemental posible, entonces surgen las sorpresas…

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Claves para comprender la crisis nuclear de Japón (I)

Vista aerea de la central nuclear de Fukushima I antes del terremoto (Fuente

El terremto producido en Japón el 11/03/2011 ha sido uno de los más intensos registrados en la historia, pero es posible que se recuerde, más aún, por la grave crisis nuclear que ha provocado. Después de varios días de medidas extremas y previsiones bastante pesimistas, la tendencia en la resolución de esta crisis comienza a ser algo más positiva. Sin embargo, el problema aún está lejos de ser solucionado y, sobre todo, ha hecho reflexionar a todo Occidente sobre los riesgos potenciales de este tipo de energía. Si quieres saber algo más y comprender los problemas relacionados con la central nuclear de Fukushima I, sigue leyendo esta lineas. En este primer artículo puedes conocer algunos conceptos generales sobre energía nuclear y radiactividad. En el siguiente artículo tendrás información concreta sobre los acontecimientos de la central de Fukushima I

¿Qué es la energía nuclear?

Fisión nuclear de un núcleo de Uranio 235 al ser bombardeado con un neutrón

Ya sabes que los átomos constan de una zona central, denominada núcleo (formada por la unión de varios protones y neutrones) y una corteza, alrededor de este, en la que se sitúan los electrones. Existen muchos tipos de átomos, algunos con núcleos muy pequeños, (incluso formados por un solo protón) y otros de gran tamaño, con núcleos formados por más de 200 protones y neutrones. Lo interesante de estos últimos núcleos de gran tamaño es que, al ser bombardeados por partículas (generalmente neutrones) con una determinada velocidad, se fragmentan, dando lugar a otros núcleos más pequeños, y otras partículas como neutrones libres, partículas alfa, radiaciones gamma, etc.

Este tipo de reacción fragmentación del núcleo atómico se denomina fisión nuclear y es muy particular por varios motivos: 1. la fragmentación de los núcleos de gran tamaño  libera una gran cantidad de energía calorífica. Es un proceso altamente exotérmico 2. Los neutrones libres que se producen al romperse un núcleo pueden servir de “proyectiles” para romper otros núcleos que estén cerca, de forma que se puede producir una reacción en cadena que se autoalimenta (cuantos más átomos se rompen, más neutrones se liberan, lo que, a su vez provoca mayor número de fisiones).

Si se permite que el proceso prosiga sin control, la energía liberada aumenta a una velocidad rapidísima y se producirá una explosión nuclear. Así es precisamente como funciona una bomba atómica. Pero si se controla el número de neutrones libres y su velocidad, entonces, la reacción nuclear en cadena puede ser regulada y aprovechada para generar una gran cantidad de energía de una forma prolongada.

¿Qué es la radiactividad y por qué es peligrosa?

El proceso de fisión nuclear es muy eficaz para producir energía calorífica, pero su principal problema es, precisamente, que no sólo produce calor, como hemos visto. Ya os he contado antes que cuando los núcleos de los átomos se fragmentan, dan lugar a núcleos más pequeños y a otros tipos de partículas y radiaciones energéticas. A su vez, los nuevos núcleos formados pueden ser inestables y seguir descomponiéndose (desintegrándose) en otras partículas de alta energía que también son emitidas. En suma, el material que comienza la fisión nuclear es inestable y mientras dura su desintegración estos núcleos están liberando diferentes tipos de partículas de alta energía.  Estas son las llamadas emisiones radiactivas. Existen diversos tipos de partículas radiactivas, cada una de ellas con sus características propias.

Así, por ejemplo, uno de los componentes de la radiactividad son las partículas alfa (que son núcleos de Helio, formados por dos protones y dos neutrones). Las patículas alfa tienen poco poder de penetración (no atraviesan la piel), pero si ingerimos o inhalamos núcleos atómicos radiactivos (radionúcleos) que emiten estas partículas, los efectos pueden ser muy peligrosos. Otro de los componentes de la radiactividad son los rayos gamma. Se trata de fotones de alta energía que poseen un alto poder de penetración. Desde luego, atraviesan la piel y cualquier otro órgano. Para detenerlos hacen falta blindajes de gran densidad y/o espesor. Una pared convencional de una casa, no es suficiente, por ejemplo, para contener la radiactividad que produce una central nuclear.

Tabla de efectos de dosis de radiación (las cantidades de radiación se expresan en miliSievert -mSv-, una unidad muy común para expresar dosis de radiación con respecto a la materia viva) Hacer click en la imagen para aumentar.

Pero ¿por qué la radiactividad es tan peligrosa para la salud?. El motivo está en que las partículas que acabamos de mencionar poseen una alta energía y al interactuar con las células vivas pueden provocarles todo tipo de alteraciones en las biomoléculas que las componen, causando desde la muerte celular hasta alteraciones en sus genes. En el primer caso, los efectos pueden ser muy rápidos. Cuando la exposición a una fuente radiactiva es extremadamente intensa, se producen quemaduras en la piel y daños internos en casi todos los órganos en muy poco tiempo. La muerte de los seres vivos sobreviene por un fallo orgánico generalizado.

Pero la radiactividad puede actuar de forma más silenciosa. Si la exposición a la radiactividad es alta, el bombardeo que sufre el ADN de los genes puede causar alteraciones de los mismos hasta el punto de transformar células normales en células cancerosas. No existen síntomas iniciales, pero al cabo de los años, los daños genéticos provocados pueden terminar dando la cara bajo la forma de algún tipo de cáncer. Una de las consecuencias más devastadoras de la exposición a radiactividad alta es el aumento de casos de este tipo de enfermedades en la población. Más aún, dado que las alteraciones genéticas pueden heredarse de una generación a otra, los efectos de una exposición radiactiva pueden perdurar mucho tiempo después de que la fuente de contaminación haya desaparecido, incluso en personas que nunca estuvieron expuestas a la radiación (pero sí lo estuvieron sus padres, sus abuelos o sus bisabuelos).

¿Cómo puede extenderse la radiactividad?

Si los radionúcleos no están confinados en una estructura capaz de contenerlos, o si esta estructura se daña (como ha pasado en el accidente de Fukushima I), los átomos radiactivos pueden pasar a la atmósfera, y a través de los vientos pueden viajar grandes distancias. Es lo que llamamos nube radiactiva, que no es visible a simple vista como las nubes de vapor de agua habituales, pero que puede ser detectada mediante dispositivos especiales. Mientras hacen su particular viaje, los radionúcleos siguen emitiendo radiactividad y, por tanto, son muy peligrosos. Las corrientes atmosféricas  y, especialmente, las precipitaciones de lluvia pueden hacer que parte de los radionúcleos se depositen en la superficie terrestre. Desde aquí, serán absorbidos e incorporados por las plantas que se desarrollen en ese lugar. De esta forma, se produce otro de los riesgos más temidos de la radiactividad: que se incorpore a la cadena alimentaria, a las redes tróficas (los animales herbívoros u omnívoros que se alimenten de plantas contamindas radiactivamente incorporarán a su organismo radiactividad y así sucesivamente hasta extenderse por todo el ecosistema, incluido ser humano).

Los alimentos contaminados con radiactividad pueden llegar mucho más lejos que cualquier nube radiactiva si no se toman las precauciones necesarias para controlar los productos del mercado internacional. Se trata de un asunto muy importante, porque, una vez ingerido, los radionúcleos pueden depositarse en determinados tejidos y órganos, como verás a continuación  y desde ahí continuar haciendo daño durante periodos de hasta varios decenios.

Otro factor muy importante a tener en cuenta es el tiempo que una sustancia radiactiva mantiene esta propiedad. Lo cierto es que este dato es enormemente variable de unos radionúcleos a otros, pero es muy importante conocerlo para valorar la peligrosidad de un escape radiactivo. La actividad radiactiva no desaparece repentinamente al cabo del tiempo, sino que lo hace poco a poco y cada vez más lentamente durante su disminución.

Por ejemplo, el Yodo 131 es un isótopo (variante) altamente radiactivo del Yodo, cuyo mayor peligro es penetrar en el organismo y depopsitarse especialmente en la glándula tiroides que requiere de un considerable aporte de este elemento para fabricar la hormona tiroxina. Afortunadamente el Yodo-131 tarda unos 8 días en desintegrase al 50% (a esto se le llama periodo de semidesintegración). Otro ejemplo, el Polonio 210 (famoso porque se empleó para envenerar al ex-espía ruso Alexander Litvinenko) se deposita especialmente en tejidos grasos y tarda 138 días en desintegrarse al 50%. El Cesio-137, muy peligroso, tarda 30 años en desintegrarse al 50%.

Si el tema te ha interesado, puedes continuar leyendo el siguiente artículo.

Claves para comprender la crisis nuclear de Japón (II)

En el artículo anterior, os he hablado sobre algunos conceptos generales sobre la energía nuclear y la radiactividad. Si estás al tanto de ellos, estoy seguro de que comprenderás mucho mejor este artículo, en el que os presento un resumen de los sucesos principales de la crisis nuclear de Fukushima, sus casuas y sus posibles consecuencias.

(Si quieres un detallado informe sobre lo ocurrido hasta ahora en la crisis, aquí tienes una muy completa y rigurosa página informativa)

¿Cómo es la central nuclear de Fukushima I?

Central nuclear de Fukushima I

Existen varios tipos de central nuclear, aunque todas se basan en una idea común: se trata de aprovechar la energía calorífica que se libera de la fisión nuclear de una cierta cantidad de “combustible nucelar” y aprovecharla para calentar agua que circula dentro de un circuito para producir vapor. La presión de este vapor se usa para mover las turbinas de unos generadores eléctricos. Observa que la idea es muy similar a una central solar térmica de alta temperatura (lo que varía es la forma de conseguir la energía calorífica).

El “combustible nuclear” más habitual es el Uranio, en concreto, un isótopo (una variante) poco abundante en la Naturaleza, que es el Uranio-235. (La forma de Uranio más abundante es el Uranio-238 que representa más del 99% del total.

La central nuclear de Fukushima I  se construyó entre 1971 y 1979 y consta de 6 reactores nucleares de tipo BWR (esto significa que el agua hierve en el reactor y circula por un sólo circuito) (Observa el esquema). Todos los reactores emplean Uranio-235, excepto el reactor 3 que emplea una mezcla de Uranio y Plutonio. Cada reactor cuenta con una vasija contenedora de acero. En su interior se dispone un conjunto de varillas paralelas, dispuestas por grupos, en cuyo interior se alojan series de pequeñas pastillas de Uranio-235. Alrededor de la vasija del reactor se dispone un edificio de contención, herméticamente cerrado con paredes de acero y hormigón de unos 2 m de espesor. Por fuera de este, hay otro edificio exterior más que rodea toda la infraestructura.

Esquema de un reactor nuclear tipo BWR (emplea agua en ebullición)

La central cuenta además con piscinas especiales para alojar las piezas de Uranio ya gastadas, inservibles para su suo como combustible, pero que mantienen una altísima radiactivdad. Por ello, los residuos de Uranio se alamacenan en estas piscinas cubiertas, durante al menos 5 años. En ellas, el agua se encarga de absorber la radiactividad hasta que desciende lo suficiente como para poder realizar el  traslado a otros tipos de alamacenamiento.

En la central de Fukushima I, como en cualquier otra, había dos prioridades de seguridad:

1. Mantener en funcionamiento  los circuitos de refrigeración del reactor para evitar el sobrecalentamiento de este. Para ello, la central contaba con un suministro eléctrico especial de la red exterior (además de su propia producción eléctrica) y, por si este fallaba, un suministro auxiliar mediante motores de gasoil.

2. Evitar fugas de sustancias radiactivas. La vasija de acero del reactor, impide que escape la mayor parte de la radiactividad de este. Por si acaso, el edificio de contención, que es hermético, sirve de segunda barrera. Además su presión es menor que la del exterior, para que si se produce una fisura en el edificio, el aire entre siempre desde el exterior y no al revés.

¿Qué pasó en los primeros momentos en Fukushima I tras el terremoto?

La central contaba con mecanismos antisísmicos. En cuanto se produjo el seismo y como medida de precaución prevista, se interumpió la producción eléctrica propia. El primer problema fue que el suministro eléctrico de la red exterior también se interrumpió inesperadamente como consecuencia del seismo. En ese momento, los generadores diésel comenzaron a funcionar según lo previsto. Sin embargo, unos 50 minutos tras el terremoto, llegó el tsunami, inundó toda la zona e interrumpió el funcionamiento los generadores de combustible de la central. Fue aquí donde comenzaron los verdaderos problemas, ya que la central se quedó si ninguna fuente de energía.

Aunque se inicie el proceso de apagado de una central nuclear, las varillas de combustible (el Uranio-235) siguen produciendo calor durante un tiempo considerable, de la misma manera que aunque apagues una hornilla vitrocerámica, esta sigue emitiendo calor durante varios minutos. Al dejar de funcionar el circuito de enfriamiento, los reactores 1, 2 y 3 (que eran los que estaban en funcinamiento en el momento del terremoto) comenzaron a calentarse sin control. Para empeorar las cosas, apenas si se disponía de información en la central puesto que la mayor parte de sistemas no funcionaban, al no existir fluido eléctrico.

¿Por qué se produjeron explosiones?

Nube de humo tras la primera explosión en el reactor 1

La temperatura de los reactores en funcionamiento se elevó enormemente en los primeros días, al no contar con refrigeración. Por encima de 1500 ºC el agua no es estable, así que al llegar a esta temperatura en algunos puntos, el agua del reactor (que sirve para producir el vapor que mueve las turbinas) comenzó a disociarse en oxígeno e hidrógeno. Este último es un gas altamente inflamable, por lo que se produjeron explosiones en varios de los reactores. La primera explosión se produjo el sábado 12 en el reactor 1, el día 14 de marzo en el reactor 3 y al día siguiente en el 2. Los edificios exteriores resultaron seriamente dañados, y en algunas de las explosiones podrían haber dañado también el sistema de contención.

Los importante es que no se trata de explosiones de la vasija del reactor, que hubieran lanzado material radiactivo al exterior, provocando una contaminación descontrolada de la zona.

¿Y las piscinas de residuos?

Hay otro problema del que no se ha hablado mucho, pero que podría ser también muy importante. Anteriormente te explicaba que cuado el combustible nuclear deja de dar buen rendimiento, debe sustituirse por varillas nuevas, pero el “gastado” sigue siendo altamente radiactivo, así que lo primero que se hace es almacenarlo en piscinas de agua blindadas. Este material es muy peligroso y requiere refrigeración al igual que el reactor. El reactor 4 estaba fuera de servicio. Hacía poco tiempo que el combustible nuclear gastado se había trasladado a la piscina de residuos de la propia central, así que, la falta de refrigeración, también empezó a provocar problemas en este reactor El temor era que los daños y el calentamiento excesivo del agua de las piscinas provocaran contaminación radiactiva desde las piscinas. La del reactor 3 también fue muy preocupante aunque parece que su situación mejora.

¿Ha habido fugas radiactivas?

Símbolo internacional de peligro radiactivo

Sí, algunas de ellas producidas de forma controlada. La presión debido al aumento de temperatura en los edificios de contención y en algunos de los reactores fue tan alta, que se decidió liberar parte de la atmósfera radiactiva del edificio de contención para bajar la presión. Naturalmente, y a pesar del sistema de filtrado, esto supuso la liberación de radionúcleos al exterior, aunque en cantidades pequeñas.

A a su vez, las explosiones de Hidrógeno dañaron los edificios y favorecieron la liberación de mayor cantidad de isótopos radiactivos. El domingo 13 se detectaban ya cantidades preocupantes de Yodo-131 y Cesio-137. La radiactividad llegó a aumentar a niveles realmente peligrosos alrededor de la central. El martes 15/03 llegó a 400 miliSievert por hora (mSv/h)(Esta es una unidad que se usa frecuentamente para expresar el nivel de radiactividad de una zona). Para que te hagas una idea, la radiactividad natural es, por término medio, de 2,4 mSv por año y a un trabajador de una central nuclear no se le permite exponerse a más de 100 mSv cada 5 años.

El miércoles 16/03 se alcanzaron los 1000 mSv/h en las proximidades de la central (Es decir, una persona que permaneciera una hora en esta zona estaría expuesta a una radiactividad 10 veces superior al máximo permitido en 5 años).

¿Se ha extendido la radiactividad?

En la ciudad de Namie, a 20 km de Fukushima se han detectado niveles de radiactividad 1600 veces superiores a lo normal. Este incremento es posiblemente causado por el desplazamiento de la nube radiactiva. Esta radiación no es preocupante durante un breve espacio de tiempo pero sí lo sería si se mantuviera  durante un perido prolongado.

La radiactividad también se ha incorporado a la cadena alimentaria. Esta es otra de las preocupaciones principales. Tal como te explicaba en el artículo anterior, la incorporación de la radiactividad a la cadena alimentaria es un problema preocupante, por la dificultad para controlarlo. El sábado 19/03 se detectó Yodo-131 en leche y espinacas producidas en regiones cercanas a la central, pero también en el agua potable de Tokio. Las cantidades eran superiores a lo normal, aunque no preocupantes para la salud, según las autoridades.

En los días posteriores se han encontrado emisiones radiactivas por encima  de lo permitido en alimentos producidos a 40 km de la central e incluso hasta 100 km de distancia. Igualmente se ha detectado Yodo-131 en zonas costeras próximas 127 veces por encima de lo habitual, aventurando posibles consecuencias sobre la pesaca de la región.

¿Está controlada la situación?

Los reactores 5 y 6 sí están ya fuera de peligro, pero no puede decirse que la situación esté plenamente  bajo control en los reactores 1 a 4. Aún no se descarta que puedan producirse nuevos problemas. No obstante, la evolución de la crisis es positiva en los últimos días. Los niveles de radiactividad han descendido en los últimos días y se ha restablecido el suministro eléctrico para todos los reactores. Sin duda, esto ayudará a controlar la temperatura de todos los elementos.

Se desconoce aún cuál es el estado real de los reactores, pero en cualquier caso, el gobierno japonés ha decidido desmantelar la instalación cuando termine la crisis.