El enjambre: ¿Pueden unas abejas provocar una detonación nuclear?

Hace ya varias semanas, pusieron en la tele la película «El enjambre», un clásico del cine de catástrofes, con el dudoso honor de ser considerada una de las peores del género. Junto al elenco de actores muy conocidos, tenemos la catástrofe en sí: una colmena de abejas asesinas, cuyo veneno es extremadamente tóxico, de forma que unas pocas picaduras supone una dosis letal. El ejército y un grupo de científicos intentan detenerlas, mientras las abejas van sembrando muerte y destrucción.

El ataque que produce más muertes en la película, posiblemente sea el de una central nuclear. Uno de los científicos se dirige allí para avisar al responsable de que las abejas asesinas están en camino, pero éste le quita importancia, diciendo que la central cuenta con las mejores medidas de seguridad. Entonces, comienzan a sonar alarmas, se encienden luces rojas, y vemos a los operarios corriendo y gritando, intentándo quitarse las abejas de encima. En segundos, toda la planta está llena de abejas, y una cegadora luz blanca inunda la pantalla: se ha producido una explosión nuclear.

Bueno, vamos a obviar el tema de cómo pudieron entrar las abejas tan rápidamente en un recinto cerrado, o qué pésimo diseño tenía la central para que los operadores no pudieran abandonar unos segundos sus puestos sin producir un accidente (porque una central nuclear no es como un coche, en el que si sueltas el volante te la pegas). ¿Puede producirse de forma accidental una explosión nuclear en una central nuclear? Los habituales al blog ya conocéis la respuesta: no.

Ya he comentado en un par de ocasiones cómo se produce una detonación nuclear. Para no repetirme, me ceñiré a lo más basico: la masa crítica. El material fisionable debe superar la masa crítica, esto es, debemos «juntar» una determinada cantidad de material. Si no, no hay explosión nuclear. Esta masa crítica depende de varios factores, como la densidad, la geometría o la presencia de otros materiales.

En una central nuclear, el combustible nuclear se encuentra «empaquetado» en unas barras, cuyo revestimiento exterior es una aleación de circonio llamada zircaloy (podéis leer los detalles de la producción de combustible nuclear en el blog Hablando de Ciencia). Como podéis imaginar, la cantidad de material fisionable dentro de esas barras es inferior a la masa crítica. El conjunto de barras introducido en el reactor tampoco la superan en esas condiciones (están separadas y recubiertas por la aleación de circonio).

Lo peor que puede pasar en una central nuclear si las cosas se salen de madre, es una fusión del núcleo (que se derritan las barras de combustible, no una fusión nuclear) o una explosión convencional que lance o exponga material radiactivo al exterior. Esto fue lo que ocurrió en Chernóbil (explosión por el exceso de presión del vapor de agua) o en Fukushima (explosión por acumulación de hidrógeno). Y en ambos casos, fueron situaciones extraordinarias prolongadas en el tiempo: la cadena de decisiones erróneas en Chernóbil, y la suma de terremoto, tsunami e interrupción de suministro eléctrico en Fukushima.

Si ya es inverosímil que se pueda producir un accidente porque a los operadores les entra el pánico durante unos segundos, que dicho accidente sea una explosión nuclear, es directamente imposible.

Legado: equivalencia masa energía

Hace tiempo terminé de leer la saga de «El Legado» (llamada informalmente, la saga de Eragon, que es el protagonista). Ya os comenté en otra ocasión la ambientación, a grandes rasgos, y la sorpresa de encontrar elementos científicos en una novela de fantasía heróica. Pues bien, en el cuarto y último libro, titulado «Legado», encontré alguna sopresa agradable más. Hoy voy a comentar una que me encantó. Intentaré no desvelar demasiados detalles de la trama, pero es posible que alguien pueda considerar spoiler lo siguiente, así que avisados estáis.

La cuestión es que el protagonista, Eragon, viaja con su dragona Saphira y el dragón de su maestro, Glaedr, hacia una isla abandonada, con la esperanza de encontrar «algo» con lo que poder combatir y vencer al malvado emperador Galbatorix. La isla era antaño el hogar de los Jinetes de Dragón, y hubo una batalla de proporciones épicas y destrucción sin igual. Os copio un extracto de cuando llegan al lugar:

En conjunto, aquel valle circular presentaba un aspecto desolador.

—Contemplad las ruinas de la ciudad que fue nuestro orgullo —dijo Glaedr—. Eragon, tienes que lanzar otro hechizo. Dice así.

Y pronunció varias frases en el idioma antiguo. Era un hechizo extraño; tenía una estructura complicada y retorcida, y Eragon no sabía bien para qué serviría.

Cuando le preguntó a Glaedr, el viejo dragón respondió:

—Aquí hay un veneno invisible, en el aire que respiras, en el suelo que pisas y en la comida que puedas comer o el agua que puedas beber. El hechizo nos protegerá contra él.

—¿Qué… veneno? —preguntó Saphira, pensando tan despacio como batía las alas.

Eragon vio a través de Glaedr una imagen del cráter junto a la ciudad, y el dragón procedió a explicar:

—Durante la batalla contra los Apóstatas, uno de los nuestros, un elfo llamado Thuviel, se mató usando la magia. Nunca quedó claro si fue voluntario o un accidente, pero el resultado es lo que ves y lo que no puedes ver, porque la explosión resultante convirtió esta zona en un lugar inhabitable. Los que aquí quedaron muy pronto desarrollaron lesiones en la piel y perdieron el cabello, y muchos de ellos murieron posteriormente.

Mmmm... una explosión enorme que deja un crater... un veneno invisible que lo impregna todo y produce lesiones en la piel, pérdida de cabello y la posterior muerte. ¿Os imagináis a qué puede referirse? Cuando Eragon le pregunta al dragón cómo es posible liberar tanta energía, contesta lo siguiente:

—Del único modo en que podía hacerlo: convirtió su propia carne en energía.

—¿Se convirtió en un espíritu?

—No. La energía quedó libre de pensamientos o estructura, y una vez liberada, salió disparada hacia el exterior hasta que se dispersó.

—Nunca había pensado que un solo cuerpo pudiera contener tanta fuerza.

—Es algo de lo que se sabe poco, pero hasta la partícula más pequeña de materia equivale a una gran cantidad de energía. Según parece, la materia no es más que energía congelada. Si la descongelas, liberas un flujo que pocos pueden resistir… Se decía que la explosión que se produjo aquí se oyó hasta en Teirm y que la nube de humo alcanzó la altura de las montañas Beor.

¡Brutal! Lo que el dragón está describiendo es la equivalencia entre masa y energía, resumida en la conocidísima ecuación de Einstein, E=mc². Y por supuesto, la enorme explosión resultante es una detonación nuclear (aunque hay otra posibilidad, que comentaré más adelante), y el veneno invisible es la radiactividad resultante.

El inmenso poder destructivo de una explosión nuclear se debe precisamente a esa equivalencia. Parte de la masa se transforma en energía. Y fijáos en la ecuación: la energía equivalente de una masa es el valor de la misma multiplicado por el cuadrado de la velocidad de la luz. Si la velocidad de la luz ya es un valor enorme (aproximadamente 300.000.000 m/s), imaginadlo elevado al cuadrado. Un simple gramo de masa equivale a 9·10¹³ julios, que vendría a ser el equivalente a una explosión de unos 21,5 kilotones. Para hacernos una idea, la bomba que se lanzó sobre Hiroshima liberó una energía de 13 kilotones, y la de Nagasaki 25 kilotones.

Por supuesto, en una detonación nuclear, no toda la masa se convierte en energía. De hecho, sólo una minúscula cantidad de ella lo hace. Hace tiempo expliqué a grandes rasgos en qué consiste una reacción nuclear. Se trata simplemente de un proceso en el que los núcleos atómicos se dividen (fisión) o se juntan (fusión), formando nuevos núcleos, y por tanto, nuevos elementos. Lo interesante del proceso es que si pesamos todos los componentes involucrados antes y después de la reacción, la masa será diferente. La energía equivalente de esta diferencia de masa, es la que se desprende o se absorbe en la reacción (pues recordad, que pueden ser endotérmicas o exotérmicas). En una detonación nuclear, la masa final es menor que la inicial, y por tanto, se desprende energía.

Para que una reacción nuclear desprenda energía, o bien fusionamos núcleos ligeros, o bien fisionamos núcleos pesados. ¿Cómo de ligeros o pesados? Pues el elemento que está en el «punto medio» es el hierro. A grandes rasgos (si entramos al detalle habría que matizar más), si un núcleo es más ligero que el del hierro, debemos realizar una fusión para obtener energía. Si es más pesado, una fisión. Puesto que la materia orgánica está compuesta sobre todo de carbono, junto con hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y otros elementos más ligeros que el hierro, el elfo tuvo de desencadenar de alguna manera una reacción de fusión nuclear. ¿Cómo? Bueno, aquí sí que no tenemos más remedio que recurrir al «lo hizo un mago» (no-premio al que identifique esta conocidísima cita). Concretamente, él mismo.

Supongo que os preguntaréis, «si en una explosión no hay involucrado material radiacivo, ¿puede haber radiactividad residual?». Pues sí, podría. Veréis, durante una reacción nuclear, se pueden desprender neutrones y partículas alfa, que son núcleos de helio (dos protones y dos neutrones juntitos). Estas partículas, al colisionar con algún núcleo del entorno circundante, producirán una reacción nuclear diferente, alterando dicho núcleo. Y el resultado, podría ser un isótopo radiactivo. De hecho, en una detonación nuclear convencional, parte de la radiactividad residual es debida al material fisionable que se ha dispersado sin fisionar, y parte a que el entorno circundante ha sido irradiado, transmutándose en variedades radiactivas de los elementos que había.

Antes he mencionado otra posibilidad. He supuesto que la detonación es de tipo nuclear. Pero la explicación del dragón insinua que toda la masa del elfo se transformó en energía. Bien, eso sólo sería posible mediante una aniquilación materia-antimateria, que es algo muchísimo más devastador. Aquí, toda la masa involucrada se transforma en energía, y no solamente una pequeña fracción. Pero como su nombre indica, necesitamos antimateria. Concretamente, la misma cantidad de antimateria que materia queramos aniquilar.

Aún así, por curiosidad, vamos a suponer que con la excusa de la magia, el elfo pudo transformar toda su masa en energía, sin necesidad de antimateria. ¿Cuánto es eso? Bueno, vamos a suponer que tuviera una masa de 60 kg (se suele representar a los elfos como esbeltos, gráciles y estilizados). La energía equivalente sería la de una explosión de casi 1300 megatones. Para hacernos una idea, la mayor cabeza nuclear jamás probada era un prototipo de 50 megatones, y se calcula que el arsenal nuclear mundial, tendría de forma conjunta una capacidad destructiva de 5000 megatones.

¿Y la radiactivid en este caso? ¿Se produciría? Bueno, en el caso concreto de una aniquilación materia-antimateria, la energía liberada es en forma de radiación electromagnética de muy alta energía. Esta radiación es ionizante, es decir, arranca electrones de los átomos. Esto hace que un organismo expuesto a esta radiación pueda, efectivamente, enfermar y morir. Pero esta radiación se produce en el momento de la explosión. Es decir, sólo afecta a los organismos expuestos en ese momento. Para que el entorno se vuelva radiactivo, los fotones emitidos en la explosión deberían ser capaces, no sólo de arrancar electrones de los átomos, sino de modificar el núcleo de los mismos, generando isótopos radiactivos. De esto último no estoy seguro, así que agradecería que algún amable lector, experto en estas lides, lo aclare.

Pero insisto, lo que he comentado ocurre en una aniquilación materia-antimateria. Si no es lo que ha ocurrido, y simplemente mediante «magia» la masa del pobre elfo se transformó en energía, así sin más, podemos suponer que parte de ella eran partículas subatómicas de alta energía, que transmutaron el entorno.

Japón, terremotos, tsunamis y accidentes nucleares

Con lo ocurrido en Japón y lo que se cuenta en los medios, es casi inevitable el dedicar un post al tema. Corto, ya que diversas circunstancias no me permiten dedicar todo el tiempo que quisiera, pero creo que suficiente para resaltar los dos mayores errores que he visto.

El primero ya lo comenté cuando el terremoto de Chile, pero no está de más repetirlo. Venga, digamos todos juntos: «La escala de Richter ya no se usa». Como ya comenté, ha sido sustituida por la escala sismológica de magnitud de momento (M_w). Uno de los motivos del cambio es que la escala de Richter no permite diferenciar correctamente terremotos de intensidad superior a 8,5. Como he leído en el callejón del ángel (vía Malaprensa), «es como si la escala fuese "...7, 8, 9, un huevo"». Y precisamente la magnitud del terremoto de Japón ha sido de 9. Por otro lado, la magnitud (al menos en la escala M_w) es un número adimensional que se expresa sin unidades (metedura de pata también mía, en el post sobre el tema; lo corregiré cuando pueda). Es decir, se dice «magnitud 9», y ya.

El segundo, más que error es una desinformación o desconocimiento generalizado de lo relacionado con las plantas nucleares. Se ha llegado a utilizar el calificativo de apocalíptico, y parece que hay un riesgo de una detonación nuclear o algo así. Bueno, es imposible una detonación nuclear. Hace tiempo dediqué un post a cómo funciona una cabeza nuclear, y recordaréis que es necesario juntar o comprimir una cantidad determinada de material fisionable, hasta alcanzar la masa crítica. Como imaginaréis, las cantidades que se utilizan en un reactor nuclear están por debajo de dicha masa.

El peor escenario en un accidente nuclear es la fusión del núcleo. Y puede que la terminología sea parte del problema, ya que por «fusión» no nos referimos a una fusión nuclear (como la que se produce en el interior de las estrellas), sino a la que nos enseñan en el colegio: el cambio de estado de sólido a líquido, como cuando el hielo se derrite. Sin entrar en demasiados detalles, la peligrosidad de una fusión del nucleo es evidente si pensamos que es más difícil contener un líquido (que además, estará por encima de unos 3.000 ºC, ya que es su punto de fusión) que un sólido.

Como mis conocimientos sobre los detalles de una central nuclear son bastante limitados (aunque me da para entender que no puede haber una detonación nuclear), os remito al artículo «Why I am not worried about Japan’s nuclear reactors», del Dr Josef Oehmen, ingeniero y científico del MIT. En realidad se trata de una versión editada por el Departamento de Ciencia e Ingeniería Nuclear (NSE) del propio MIT (que ha abierto una web dedicada a explicar lo que ocurre en Fukushima), ya que el mismo Oehmen reconoce que no es ingeniero nuclear, y animaba a los lectores a que le corrijan, en su post original. Si el inglés no es lo vuestro, podéis leer una traducción del artículo original en el blog Física de Película, o una traducción de la versión más actualizada en Fullmy's Weblog. No voy a decir que las cosas sean de color de rosa, pero se está exagerando mucho en los medios (ya sabéis cómo les gusta).

Para terminar, como se está comparando mucho con lo ocurrido en Chernobyl, os dejo un par de enlaces a Curioso pero Inutil e Historias de la Ciencia, donde en su día se explicó cómo sucedió el accidente y por qué.

Iron Man 2: Elementos químicos

Hace unos días ví la película Iron Man 2 (sí, atrás quedó el tiempo en el que podía ir a los estrenos; ahora tengo que esperar a que salgan en DVD). Como suele ser habitual cuando comento películas, series o cómics de superhéroes, no voy a meterme en la naturaleza misma del superhéroe en sí, sino en algún otro detalle. Como sabéis, Iron Man es Tony Stark, un genio multimillonario que construyó una armadura de combate que le proporciona fuerza, y lanza rayos repulsores con diversos usos (como volar o destrozar cosas). En la versión de la película, tiene incrustado en el pecho una especie de reactor nuclear que funciona con paladio. El reactor le mantiene vivo y proporciona energía a la armadura (todo eso se cuenta en la primera peli, obviamente).

Una de las tramas de la película es el envenenamiento por paladio que sufre poco a poco Tony Stark, al tener el cacharro ese en el pecho. Cerca del final de la película, descubre que su padre (fallecido hace tiempo) le había dejado oculto una especie de «plano» del átomo de un nuevo elemento químico. Estudiando dicho plano, deduce que ese nuevo elemento le permitirá alimentar el reactor de su pecho, sin envenenar su sangre. Así que se monta un acelerador de partículas casero, sintetiza el nuevo elemento, se lo mete en el reactor, y sale a combatir al supervillano de turno.

Lo primero que llama la atención es que se hace énfasis en el «plano» (camuflado como maqueta, pero a la vista) y en la «configuración» del átomo. Parece darse a entender que lo que hace único a ese elemento es la disposición espacial de neutrones y protones. Pero un elemento químico está determinado únicamente por el número de protones de su núcleo, y un isótopo de un elemento por el número de neutrones. No importa cómo estén colocados. Es más, ni siquiera podemos saber cómo están colocados, debido al conocido Principio de Indeterminación de Heisenberg. Lo más que podemos saber es cómo se distribuyen en capas los electrones que rodean al núcleo. Pero un elemento tiene siempre la misma distribución de electrones por capas. Es decir, todos los átomos de un elemento concreto, tendrán sus electrones distribuidos de igual forma.

Las cosas se ven mejor con ejemplo, así que vamos a mirar cómo es el carbono, concretamente el carbono-12, que es el más abundante en la naturaleza. El carbono-12 tiene un núcleo con 6 protones y 6 neutrones, rodeado por 6 electrones distribuidos en 2 capas, de forma que hay 2 electrones en la capa más «interna», y 4 en la más «externa». Esta última capa se divide a su vez en dos subcapas, de forma que cada una tiene 2 de los 4 electrones. Las propiedades químicas del átomo de carbono-12 vienen dadas sobre todo por la distribución de electrones, que es siempre la misma en todos los átomos de carbono-12 del universo. Esa distribución es así, por el hecho de que hay 6 electrones. Y el átomo tiene 6 electrones, porque el núcleo tiene 6 protones. Es decir, no hay forma de que los electrones se distribuyan de otra manera. Sabiendo que hay 6, ya sabemos cómo se distribuyen. Si, por ejemplo, estudiamos un átomo de carbono-14, veremos que pese a que tiene 2 neutrones más que su «primo» (siendo radiactivo), al tener el mismo número de electrones (y protones), su distribución por capas es la misma.

Resumiendo un poco, un isótopo concreto de un elemento químico determinado, está perfectamente definido por en número de protones y neutrones de su núcleo. No es necesaria más información, ni un plano de su disposición espacial. Basta con dos numeritos, llamados número atómico (que nos indica el número de protones) y número másico (que nos indica el número de protones y neutrones).

Un detalle curioso es el hecho de que Tony Stark deduce las propiedades del nuevo elemento, contemplando su diagrama. Ciertamente, las propiedades de todo elemento dependen de cómo es el átomo. El número de neutrones y protones determina la estabilidad del mismo (si es radiactivo o no). La disposición de sus electrones determinan sus propiedades químicas, como la forma en la que se enlaza con otros átomos. Y eso a su vez determina características más macroscópicas, como la dureza, la densidad, el color, etc. Pero de momento no hay ninguna regla que nos permita saber la mayoría de propiedades de un elemento a partir de sus números atómico y másico. Si miráis en la Wikipedia algún elemento sintético del que sólo se hayan producido cantidades microscópicas y efímeras, como el rutherfordio o el dubnio, veréis que indica que se desconocen cosas tan básicas como su apariencia o su estado a temperatura ambiente, y sólo se habla de posibilidades. Pero Tony Stark deduce en unos segundos las propiedades de un elemento nuevo mirando cómo es el átomo.

Bueno, hay una propiedad que sí se puede deducir fácilmente del elemento nuevo, y es que sería radiactivo, y con un periodo de semidesintegración muy corto. Y es que cualquier elemento químico nuevo debe ser necesariamente un elemento transactínido, esto es, un elemento que esté más allá de los actínidos en la tabla periódica. Si recordáis la química del colegio, la tabla periódica ordena todos los elementos según su número atómico (el número de protones de su núcleo, recordad). Y resulta que no hay ningún hueco hasta el último elemento conocido a día de hoy, el ununoctio (número atómico 118). Por tanto, el elemento nuevo sintetizado por Tony Stark debe tener un número atómico mayor. Y un elemento así sería inestable, con una vida muy corta, al igual que los demás transactínidos. El motivo es que con núcleos tan grandes, la interacción nuclear fuerte que mantiene unidos los protones y neutrones, deja de ser tan efectiva, y la probabilidad de que la repulsión electromagnética entre protones rompa el núcleo, es muy alta (explicación simplificada, que recordaréis de otro post). Los elementos transactínidos sintetizados hasta ahora tienen periodos de semidesintegración muy cortos. Y cuando digo muy cortos me refiero a segundos o menos aún. Además, al ser sintetizados en laboratorio, las cantidades conseguidas son microscópicas.

El elemento que vemos en la peli, sin embargo parece bastante estable, ya que como mínimo dura durante toda la confrontación final (y es de suponer que mucho más, ya que es lo que mantiene vivo al prota). La cantidad sintetizada es macroscópica, es decir, se puede ver y manipular a simple vista, cuando la realidad es que en un acelerador se producen cantidades microscópicas. Además, Tony Stark lo agarra con unas simples pinzas y lo contempla de cerca sin ninguna protección, pese a que debería de ser un elemento radiactivo (eso sí, lo hacen brillar con una bonita luz azulada).

Y no quiero terminar sin hablar de acelerador de partículas casero que construye, y la peculiar forma que tiene de ajustarlo. Usa un simple nivel para nivelar el aparato, colocando objetos debajo de él, y apunta un laser a ojo, haciendo girar una parte del invento con una enorme llave inglesa. Como imagino que supondréis, la precisión necesaria para hacer funcionar un acelerador de partículas, es bastante mayor que la que se puede conseguir con los medios que vemos.

Un poco de radiactividad

Estos días es noticia las candidaturas de diferentes ayuntamientos a tener un cementerio nuclear, y las numerosas y enérgicas protestas de gente en contra. Escuchando y leyendo declaraciones, puedo comprobar que hay bastante desconocimiento en general sobre todo lo que rodea la radiactividad, y se asocia inmediatamente a algo muy peligroso y dañino, tanto para el hombre como para el medio ambiente. Y sí, la radiactividad puede ser muy dañina, incluso letal, pero no es una fuerza irresistible que atraviesa todo. Se puede aislar, y de hecho, se hace.

¿Que es la radiactividad? Hace tiempo expliqué un poco qué es y que qué produce la radiactividad, pero no está de más recordarlo. Existen isótopos cuyos núcleos atómicos no son estables, por tener «demasiada energía». La naturaleza tiende siempre a la configuración menos energética, por lo que estos isótopos desprenden energía en forma de radiación electromagnética o partículas subatómicas. Durante este proceso, el núcleo ve modificado su número de protones o neutrones (o ambos). Si como resultado, se modifica el número de neutrones, se convierte en otro isótopo del mismo elemento. Y si se modifica el número de protones, el elemento químico cambia (la transmutación de la materia anhelada por los antiguos alquimistas).

Existen tres tipos de radiación: la radiación alfa, que consiste en núcleos de helio (dos protones y dos neutrones «juntitos»), la radiación beta, que consiste en electrones o positrones, y la radiación gamma, que es radiación electromagnética (es decir, fotones). La radiación alfa es muy energética, pero fácilmente bloqueable. Bastan unas hojas de papel para impedir su paso (pensad que después de todo, aunque ligeros, se trata de núcleos atómicos enteros). La radiación beta es algo más penetrante, pero sólo un poco más. Una lámina de aluminio puede deneterla sin problemas. La radiación gamma ya es harina de otro costal. Es muy penetrante y se necesitan barreras bastante más gruesas, y de materiales muy concretos, como el plomo o el hormigón.

¿Por qué es dañina la radiactividad? Bueno, la radiactividad es dañina porque es ionizante, es decir, es capaz de ionizar átomos. ¿Y eso qué quiere decir? Pues que cuando la radiación atraviesa la materia, puede arrancar electrones de los átomos que la componen, alterando algunas propiedades. Si eso ocurre con átomos que forman parte de una estructura celular, ésta puede resultar dañada. Y dependiendo de dónde esté el daño y de su cantidad, será más o menos perjudicial para el ser vivo afectado.

He mencionado la cantidad, y es que la radiactividad no escapa a la cita atribuida a Paracelso: «todo es veneno, nada es veneno; la diferencia está en la dosis» (o algo así; si alguno conoce la cita exacta, le agradecería que me corrigiera). El cuerpo humano puede soportar pequeñas dosis de radiactividad, y de hecho, las soporta diariamente. Existe radiactividad en la naturaleza, que no tiene nada que ver con la actividad humana ¿Os acordáis del artículo en el que comenté la datación por carbono-14? Todos los seres vivos (incluidos nosotros) tienen una cantidad de carbono-14 formando parte de su estructura, y el carbono-14 es un isótopo radiactivo. Y no es el único que podemos encontrar en la naturaleza.

En otro orden de cosas, el hombre utiliza elementos radiactivos y radiaciones ionizantes, para otros fines además de la energía nuclear, como por ejemplo en el campo de la medicina. Los famosos rayos X que se utilizan para realizar radiografías, es radiación ionizante. Y precisamente por eso el paciente se queda solo en la sala, en el momento de la irradiación (una única dosis no es dañina, pero una exposición diaria es otra cosa). La radioterapia utilizada en tratamientos para el cáncer consiste precisamente en matar los tejidos afectados mediante radiación ionizante (pudiendo utilizarse material radiactivo, dependiendo del tipo de tratamiento). Y hay métodos de diagnóstico que consisten en inyectar directamente un isótopo radiactivo en el paciente, que luego es fácilmente detectable desde el exterior, proporcionando información de «por dónde va». Por supuesto, todos estos elementos son manipulados con las debidas precauciones, y las salas donde se utilizan están convenientemente apantalladas.

Antes he mencionado que los isótopos radiactivos lo son porque sus núcleos tienen demasiada energía, y deben liberarla. ¿Qué ocurre cuando ya han emitido esa energía que les sobra? Todos los isótopos radiactivos, al emitir radiación se convierten en otros (recordad que el número de protones y neutrones del núcleo se ve alterado), que pueden ser radiactivos o no. Pero si es radiactivo tendrá que ir decayendo a su vez en otro. Finalmente, todo material radiactivo termina decayendo (directa o indirectamente) a isótopos estables no radiactivos. Existe un concepto llamado periodo de semidesintegración, llamado también semivida, que es intrínseco a cada isótopo radiactivo. Nos dice cuánto tiempo pasa hasta que la mitad del material ha decaído en otro isótopo diferente. Cuanto mayor sea el periodo de semidesintegración, más duradero será el material radiactivo, y cuanto menor sea, antes desaparecerá. Fijaos que todos los materiales radiactivos terminan desintegrándose con el tiempo, precisamente porque sus núcleos son inestables. No ocurre así con los elementos no radiactivos, que pueden durar indefinidamente.

Bueno, una vez hemos asimilado todo esto, vayamos el punto de la polémica: los residuos nucleares y su almacenamiento. En una central nuclear se fisionan elementos radiactivos (por lo general, uranio) para obtener energía. Para ello, el combustible nuclear se dispone en una serie de varillas que se intoducen en el reactor. Durante el proceso, se producen entre otras cosas, otros elementos radiactivos. Una varilla «gastada» contiene dichos elementos, además de parte del combustible nuclear original, que no se ha fisionado. Por otro lado, hay partes del reactor, herramientas y otros utensilios, que tras tanta exposición a la radiación, terminan por volverse algo radiactivos (no porque la radiactividad sea algo «contagioso», sino porque algunos núcleos atómicos, al absorber la radiación, sufren el proceso inverso, adquieren energía y se vuelven inestables). Y no sólo una central nuclear produce residuos radiactivos, sino que un hospital también puede generarlos, como hemos visto.

Los residuos radiactivos se dividen en tres grupos, según su emisión de radiación y su periodo de semidesintegración: de baja actividad, de media actividad y de alta actividad, siendo estos últimos los más peligrosos. Todos estos residuos deben ubicarse en un lugar seguro hasta que decaigan en elementos no radiactivos, y para eso están los vulgarmente llamados cementerios nucleares.

Las expresiones «desechos nucleares» y «cementerio nuclear» evocan algún tipo de bidón metálico lleno de un líquido brillante, que se vierte de cualquier forma en algún lugar condenado. Puede que hace unas décadas esta visión no estuviera demasiado alejada de la realidad, pero a día de hoy, el tratamiento de estos residuos es bien distinto. Precisamente, la misión de estos «cementerios» es almacenar estos residuos de forma que no causen daño al hombre y al medio ambiente en general. Hay dos tipos de estos almacenes: superficiales, para residuos de baja y media actividad, y profundos, para los de alta actividad. Estos almacenes no son simples naves industriales donde se amontonan los resiuduos, sino que están formados por paredes muy gruesas de hormigon, que impiden la salida de la radiación.

Los residuos en sí, también se recubren de hormigón para minimizar la radiación que alcanza el exterior (no olvidéis que se transportan de alguna manera hasta que llegan a su almacenamiento). Y así recubiertos, se introducen en el almacém, que proporciona aún más aislamiento. Si se toman todas las medidas necesarias, la radiactividad en el exterior del cementerio nuclear no debería ser superior a la radiactividad natural.

Con esto no quiero pintarlo todo de rosa. Los materiales radiactivos pueden llegar a ser muy peligrosos, pero precisamente por eso, se toman enormes medidas de seguridad en su uso. Y si se cumplen, no debería haber ningún problema.

El Coche Fantástico: reacciones nucleares

Hoy vamos a volver a la nueva serie de El Coche Fantástico. En uno de los episodios aparece algo que llaman «nanovirus». No explican muy bien qué es, pero por el nombre y su comportamiento a lo largo del episodio, uno puede deducir que se trataba de algún tipo de enjambre de nanomáquinas, capaces entre otras cosas, de construir copias de sí mismas. No, no vamos a hablar de nanotecnología, sino de algo muy diferente. Resulta que cuando los protas hablan con el creador del nanovirus, les dice que la programación original del mismo era el tratamiento de residuos, concretamente, convertir metales pesados en materia orgánica.

¿Qué es un metal pesado? Bueno, su definición es algo ambigua, pero normalmente se refiere a elementos metálicos, densos, y tóxicos, como por ejemplo, el mercurio o el plomo (auque a veces se incluyen elementos no metálicos, o metales algo más ligeros). Materia orgánica puede ser también un término algo ambiguo, pero al igual que antes, podemos simplificar diciendo que se trata de compuestos formados por cadenas de carbono, junto con otros elementos, como el hidrógeno o el oxígeno.

Lo importante es que los metales pesados son elementos químicos, y la materia orgánica son compuestos formados por elementos químicos completamente diferentes. Fijaos entonces que estamos hablando de un proceso que transforma unos elementos químicos (metales pesados) en otros (carbono, hidrógeno y más cosas). Es por tanto el viejo sueño de los alquimistas: la transmutación de la materia. Algo que sólo es posible mediante reacciones nucleares, donde los núcleos atómicos se dividen o se unen, de forma que obtenemos elementos diferentes a los que teníamos al principio (en el colegio nos enseñaron que el número de protones de un núcleo, determina el elemento químico).

Una reacción nuclear no se inicia así como así. Hay que hacer colisionar los núcleos atómicos entre sí, o bien bombardearlos con partículas. Para ello, o bien aportamos inicialmente determinada cantidad de energía inicial (nada despreciable), o bien utilizamos materiales radiactivos, que sufren procesos nucleares de forma natural, emitiendo partículas en el proceso. Parece difícil (por no decir imposible) que unas nanomáquinas puedan iniciar una reacción nuclear aportando energía, y desde luego, utilizar materiales radiactivos parece que va en contra de la filosofía inicial de estas maquinitas (deshacerse de productos nocivos).

Pero vamos a centrarnos en otra cosa. Cuando se menciona el término «reacción nuclear» uno suele pensar en algo que desprende una enorme cantidad de energía. Pero al igual que ocurre con las reacciones químicas, no sólo hay reacciones nucleares que desprenden energía (exotérmicas), sino que también las hay que absorben energía (endotérmicas), y por tanto, es necesario suministrar energía para que puedan ocurrir. La fusión del hidrógeno en helio, por ejemplo, desprende energía (y por eso las estrellas emiten luz y calor). Parece evidente que si queremos realizar el proceso contrario, y fisionar el helio, deberemos aportar energía.

¿Qué determina si una reacción nuclear desprende o absorbe energía? Bueno, vamos a ver primero un concepto curioso. En el colegio nos enseñaron que el número de protones y neutrones de un núcleo atómico, se denomina número másico, y corresponde a la masa del átomo (las masas de los electrones es muy pequeña, comparada con la del núcleo). Lo que no nos contaron es que esta correspondencia no es exacta. Resulta que si «pesamos» un núcleo atómico, y luego «pesamos» cada uno de sus componentes por separado, nos dará un valor distinto. Concretamente, el nucleo parece tener menos masa que la suma de las masas de sus componentes. Así, si medimos la masa de un núcleo de helio, que está formado por dos protones y dos neutrones, veremos que es menor que la suma de las masas de dos protones y dos neturones sueltos. A esta diferencia se le denomina defecto de masa.

¿Qué ocurre con esta masa que falta? Pues que se transforma en energía, según la famosa fórmula de Einstein que relaciona masa y energía: E=m·c². Por tanto, si tenemos protones y neutrones sueltos por ahí, y los juntamos para formar núcleos atómicos, siempre vamos a obtener energía. Lástima que no dispongamos de muchos de estas partículas así sueltas, sin más, sino que lo que tenemos son átomos con los que jugar.

Afortunadamente, ese defecto de masa no es el mismo para todos los átomos, o mejor dicho, la diferencia por nucleón (protón o neutrón) no es la misma. Si para un núcleo atómico calculamos su defecto de masa, lo dividimos entre el número de nucleones que lo forman (el número másico), y calculamos su equivalente en energía, tendremos lo que se denomina energía de enlace por nucleón. Si calculamos este valor para todos los isótopos de todos elementos conocidos, y hacemos una gráfica con estos valores, veremos que la energía por nucleón es muy baja en el hidrógeno, y sube muy bruscamente (con algún descenso ocasional) a medida que avanzamos por la tabla periódica, hasta llegar al hierro. A partir de ahí, la gráfica desciende de forma suave. Si queremos saber si una reacción nuclear de fusión o fisión es endotérmica o exotérmica, debemos comparar la energía por nucleón de los isótopos, antes y después de la reacción. Si es mayor, la reacción desprende energía. Si es menor, la absorbe. Así, podemos ver fácilmente que la energía por nucleón del helio es mucho mayor que la del hidrógeno, y que la del uranio es menor que la de elementos algo menos pesados que él. Por eso la fusión del hidrógeno y la fisión del uranio desprenden energía. Básicamente, la fusión de elementos ligeros o la fisión de elementos pesados, desprende energía. Como curiosidad, podéis ver en la gráfica que la fusión del hidrógeno produce mucha más energía que la fisión del uranio.

¿Por qué este comportamiento? Intentaré explicarlo de forma sencilla. Como sabéis, los protones tienen carga eléctrica positiva. En el colegio nos enseñaron que cargas opuestas se atraen y cargas iguales se repelen. También nos enseñaron que la fuerza de atracción o repulsión eléctrica es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia. Los protones de un núcleo, por tanto, están sometidos a una fuerza repulsiva enorme al estar tan cerca. ¿Por qué no salen despedidos? Por la interacción nuclear fuerte, una fuerza cuya disminución con la distancia es más brusca que la fuerza electromagnética. Esta fuerza atrae a todos los nucleones entre sí, y a esas distancias, es mayor que la repulsión electromagnética. Podemos pensar (y esto ya es una simplificación extrema, pero creo que nos vale) que cuantos más nucleones pongamos juntos, más estable será el nucleo, ya que hay más partículas atrayéndose entre sí. Pero llega un momento en el que el núcleo es tan grande, que si añadimos más nucleones, los de extremos opuestos estarán demasiado alejados entre sí, y la fuerza atractora entre ellos no será tan grande (insisto en que es una simplificación, no me peguéis los que sepáis del tema).

Sabiendo todo esto, volvamos al nanovirus de El Coche Fantástico. Se supone que originalmente transmutaba metales pesados en carbono, hidrógeno y algunos otro elementos. Los números másicos de los principales isótopos del plomo están entre 206 y 208. Los del mercurio entre 198 y 204. El del carbono, como todos sabemos, es 12 (el isótopo más abundante), y el del hidrógeno es 1 (o siendo generosos, entre 1 y 3, aunque el deuterio y el tritio son mucho menos abundantes que el hidrogeno-1). A primera vista se puede ver con facilidad que para obtener hidrógeno de una reacción nuclear, necesariamente tendremos que aportar energía, partamos de donde partamos.

Con el carbono es más difícil ver en la gráfica si su energía de enlace por nucleon es mayor o menor que las del plomo y mercurio, así que vamos a consultar en una tabla de masas atómicas proporcionada por el NIST, para buscar los elementos que nos interesan. No calcularemos la energía de enlace, sino que nos quedaremos en la masa media por nucleon. Para evitar confusiones, recordad que la gráfica representa la energía correspondiente al defecto de masa, y por tanto, cuanto mayor sea su valor, más estable será el elemento. Si calculamos simplemente la masa por nucleon, cuanto menor sea este valor, más estable será el elemento.

La masa atómica del carbono-12 es exactamente 12 u, igual que su número másico, lo que no debería sorprender a nadie ya que se define la unidad de masa atómica precisamente como la duodécima parte de la masa de un átomo de carbono-12. Por tanto, la masa por nucleon de un átomo de carbono-12 es 1 u. La masa atómica del plomo-208 (el más abundante en la naturaleza) es 207,976636, por lo que la masa por nucleon será menor que 1 u. En el caso del mercurio-202 (también el isótopo más abundante) la masa atómica es de 201,970626, por lo que volvemos a tener una masa por nucleon menor de 1 u. He elegido los isótopos más abundantes en ambos casos, pero si utilizáis el resto de isótopos, veréis que la masa por nucleon es menor que la del carbono. Eso quiere decir que en una reacción nuclear que convierta plomo o mercurio en carbono (y un resto de algún elemento más ligero, ya que el número másico no es múltiplo de 12), el conjunto final tendrá más masa que el inicial. Eso quiere decir que habrá que aportar energía.

Y claro, la gran pregunta es ¿de dónde sale esa energía? Teniendo en cuenta la gran cantidad de energía implicada en una reacción nuclear (pensad que es la diferencia de masa multiplicada por el cuadrado de la velocidad de la luz; casi nada), no parece posible que las nanomáquinas pudieran aportarla, por muy buenas nanobaterías o nanopaneles solares, o cualquier medio de extraer energía de algún otro sitio, que pudieran tener.

Fabricando plutonio en «Objetivo: la Luna»

Inevitablemente, al comentar en el anterior artículo el album de las aventuras de Tintín, «Aterrizaje en la luna», me vino a la memoria el album anterior, «Objetivo: la Luna» donde explicaban el funcionamiento de un reactor nuclear. Releyéndolo, la explicación tiene algo de mala ciencia, pero a grandes rasgos es bastante correcta.

Pongámonos en situación: nuestros amigos están en unas instalaciones secretas en Syldavia, donde se pretende fabricar un cohete que llegue a la Luna. En dicho país hay un rico yacimiento de uranio, pero el cohete utiliza plutonio como combustible de su motor nuclear. El ingeniero Wolff (ayudante del profesor Tornasol) les enseña el reactor nuclear donde convierten el uranio en plutonio, y les da una breve explicación (sólo reproduzco el diálogo de Wolff):

Bien. Volvamos a nuestra pila. Entonces se introduce una barra de uranio que contiene aproximadamente un 99% de U-238 y un 1% de U-235 radiactivo. ¿Qué pasa una vez que la barra de uranio está en la pila?

Lo siguiente: Un átomo de U-235 se desintegra y proyecta dos o tres neutrones. Uno de ellos es absorbido por un átomo del U-238, que se transforma en plutonio. ¿Y qué pasa con los otros neutrones? ¿En qué se convierten?

Frenados por el grafito que les rodea, continúan su carrera a través de la pila y terminan por chocar con alguno de los átomos del U-235, que estalla a su vez liberando dos o tres neutrones. ¿Comprende?

Pero este fenómeno ha de ser controlado. Gracias al cadmio, que absorbe una parte de los neutrones, nos es posible controlar a nuestro gusto la actividad de la pila.

Ante explicaciones como esta, poco más se puede añadir. Tal vez mencionar que las proporciones de los isótopos de uranio que se mencionan no son arbitrarias, sino que corresponden aproximadamente con las que aparecen en la naturaleza. El único error en la explicación ocurre cuando el personaje dice que cuando un átomo de uranio-238 absorbe un neutrón, se convierte en plutonio.

Si recordáis las clases de química del colegio, un elemento está determinado por el número de protones de su núcleo atómico. Los isótopos de un mismo elemento, tienen el mismo número de protones y distinto número de neutrones, y su nomenclatura consiste en el símbolo o nombre del elemento, seguido el número de protones y neutrones del núcleo. Así, deduciréis que si un átomo de uranio-238 absorbe un neutrón, no se convierte en otro elemento, sino en uranio-239. Lo que ocurre es que este isótopo de uranio es muy inestable, con un periodo de semidesintegración de minutos. Uno de los neutrones del uranio-239 (que tiene 92 protones y 147 neutrones) se desintegra en forma de un protón, un electrón y un neutrino (antineutrino, en realidad, que apenas interacciona con la materia), de forma que el átomo se convierte en neptunio-239 (que como imaginaréis, tiene un protón más y un neutrón menos que el U-239). Este isótopo del neptunio es también bastante inestable, aunque no tanto como el U-239: su periodo de semidesintegración es de un par de días. Así, mediante el mismo proceso, un neutrón se convierte en protón, y obtenemos un átomo con 94 protones y 145 neutrones: el plutonio-239. Como dato de interés, este isótopo no sólo puede ser utilizado en reactores nucleares, sino que es el principal «ingrediente» del armamento nuclear.

Podemos pensar que la explicación se ha simplificado para su mejor comprensión. Después de todo, un átomo de U-238 que absorbe un neutrón, termina convirtiéndose en un átomo de plutonio, aunque como véis, no de forma directa ni inmediata, sino transcurridos unos días.

The Core: Aumentando la potencia de una cabeza nuclear

¡Sí! Hoy volvemos a esa película, que podríamos casi denominar como favorita de este blog: The Core. Si recordáis el final de la peli, cuando están armando y colocando las 5 cabezas nucleares para «reactivar» el núcleo terrestre, los científicos se dan cuenta de que la última explosión debería ser mayor. Concretamente, habría que incrementar su energía en un 30%. Así que nuestro prota, ni corto ni perezoso, extrae las barras de plutonio del reactor nuclear que proporcionaba energía a la nave, las coloca al lado de la cabeza nuclear, y ya está. Sin embargo, eso no hubiera servido de nada.

Hace tiempo comenté a grandes rasgos cómo funciona una cabeza nuclear. Básicamente, se trata de que el material fisionable, supere lo que se denomina masa crítica, y provoque una reacción nuclear en cadena incontrolada, expulsando una inmensa cantidad de energía. Eso se consigue juntando o comprimiendo una determinada cantidad de material, y una detonación no hace que material fisionable cercano detone también (como podría ocurrir con algunos explosivos convencionales).

¿Y qué es exactamente eso de la mása crítica? Veréis, en los materiales utilizados (determinados isótopos de uranio o plutonio), ya se producen pequeñas reacciones nucleares de forma natural, que van transmutando el elemento original en otro. En ellas, un átomo del elemento en cuestión se divide (se fisiona), lanzando diversas partículas en el proceso. Esto hace que el material sea radiactivo. Entre estas partículas emitidas se pueden encontrar neutrones. Si un neutrón golpea otro átomo del elemento fisionable, induce a su vez otra fisión. Esto es lo que se conoce como reacción en cadena (cada suceso genera otro similar).

Imaginemos que por termino medio, sólo un neutrón de cada fisión consigue golpear otro átomo e inducir otra fisión, mientras que el resto de partículas simplemente alcanza el exterior del material. En este caso, el número de reacciones por unidad de tiempo se mantiene constante. Pero ¿y si por termino medio, más de un neutrón de cada fisión induce a su vez otra fisión? Parece evidente que el número de fisiones por unidad de tiempo se irá incrementando en forma de progresión geométrica. En este caso estamos ante una reacción en cadena incontrolada.

¿Cómo podemos aumentar el número de neutrones por átomo que producen otra fisión? Una forma es simplemente aumentando la cantidad de material. Si un neutrón tiene que recorrer más distancia hasta alcanzar el exterior, la probabilidad de colisionar con un átomo aumenta. Otra forma es comprimiendo el material, de forma que al estar los átomos más «apelotonados», aumentamos también la probabilidad de colisiones. Una tercera forma es recubriendo el material con algún otro material que refleje neutrones. Así, un neutrón que alcanza el exterior, es reflejado otra vez hacia el material fisionable, teniendo «otra oportunidad» para colisionar. Se llama masa crítica, a la cantidad de material fisionable necesaria para que se produzca una reacción en cadena. Como podéis deducir, este valor depende de la densidad, geometría y elementos exteriores que recubran el material.

En una cabeza nuclear, tenemos una determinada cantidad de material fisionable por debajo de su masa crítica. Al detonar la bomba, lo que se pretende es que el material supere su masa crítica, y se produzca una explosión nuclear. Para ello hay dos diseños básicos: Uno de ellos consiste en tener el material en dos trozos separados, cada uno de ellos por debajo de la masa crítica, pero que unidos la superan. En el momento de la detonación, simplemente hacemos que se junten (generalmente con una explosión convencional, que empuja uno hacia el otro). Otro diseño es tener el todo el material dispuesto en forma de esfera, por debajo de la masa crítica. El material está recubierto de explosivos cuidadosamente colocados, de forma que al explosionar todos a la vez compriman la esfera, y se supere la masa crítica. Este último diseño es preferible al anterior, dado que es más seguro. Fijáos que para detonar la bomba, todos los explosivos de la esfera tienen que detonar de forma síncrona. Si no, no hay detonación nuclear (aunque podemos tener una detonación normal de los explosivos, que esparza el material radiactivo por ahí).

Debido a cómo «detona» el material fisionable, y debido a la enorme cantidad de energía liberada, normalmente no todo el material fisionable reacciona, y parte de él es lanzado por la explosión. Este material estará obviamente por debajo de su masa crítica por lo que no explotará, siendo su único peligro su propia radiactividad. Si esto ocurre con parte del material presente en el núcleo de una cabeza nuclear, es bastante evidente que sucederá lo mismo con todo aquél que esté fuera de ésta. Es decir, si colocamos una barra de plutonio al lado de una cabeza nuclear, no incrementaremos la explosión, sino que simplemente estaremos añadiendo «metralla» radiactiva que se esparcirá con la explosión.

Contaminación y envenenamiento por radiación

El reciente envío dedicado a la lluvia radiactiva en Jericho, me ha recordado otro posible error relacionado con la radiactividad, en otra serie de televisión. Se trata de mi muy querida Babylon 5. En el episodio Solo en la Noche, unos Starfuries (los cazas de los humanos) son atacados por una nave desconocida, y abducen al comandante Sheridan (el prota). El único superviviente, tiene la nave dañada y la computadora le dice que hay una fuga en el reactor, y que la radiación ha alcanzado un nivel terminal. Sabiéndose condenado, intenta volver a la estación Babylon 5, para informar de lo ocurrido. Al llegar, es llevado inmediatamente al laboratorio médico, y aislado para evitar que toda la estación se contamine. Pues bien, esa temor a contaminar toda la estación parece algo infundado, ya que una persona que ha sido irradiada, no se vuelve necesariamente radiactiva.

Lo primero que hay que tener claro es qué es exactamente la radiactividad. Veamos, la radiactividad no es más que un fenómeno mediante el cual determinados átomos emiten partículas subatómicas o radiación electromagnética. Existen isótopos de elementos, que por su configuración atómica, son inherentemente inestables. Estos isótopos se denominan radiactivos, y cuando alcanzan una configuración estable, expulsan partículas como neutrones, protones o electrones (o más), o emiten fotones en forma de radiación de muy alta frecuencia (o ambas cosas) que se denomina radiación ionizante, por tener la capacidad de «arrancar» electrones de sus átomos, ionizando la materia. Los más conocidos son los isótopos del uranio y el plutonio, pero existen muchos más, como el famoso carbono-14, isótopo radiactivo del carbono.

Un átomo que pierde o adquiere neutrones, se convierte en un isótopo diferente del mismo elemento. Un átomo que pierde o adquiere protones, se convierte en un elemento diferente. Parece evidente que un elemento radiactivo, va transformándose poco a poco en otra cosa. Así, el carbono-14, por ejemplo, se convierte espontáneamente en nitrógeno-14 (o nitrógeno «a secas», ya que es el isótopo de nitrógeno más abundante), emitiendo radiación beta (electrones).

De las radiaciones emitidas por un elemento radiactivo, la más peligrosa para nosotros es la radiación electromagnética ionizante, esto es, fotones de muy alta frecuencia, y por tanto de muy alta energía. Esta radiación nos afecta a nivel celular, dañando nuestras células o interfiriendo en su división, provocando desagradables síntomas, y si la dosis recibida es suficiente, la muerte. Pero fijáos que eso simplemente nos daña, no nos vuelve más radiactivos (y digo más, porque todos los seres vivos tenemos cierta cantidad de carbono-14, por lo que todos somos radiactivos en cierta medida). Para que un isótopo no radiactivo se vuelva radiactivo, necesariamente debe modificar su número de nucleones, es decir, protones y neutrones, cosa que la radiación electromagnética no hace.

Hay otro tipo de radiación, que está formado por neutrones. Esta radiación de neutrones sí puede convertir un isótopo estable en uno radiactivo. Así, si un isótopo de nitrógeno-14 de nuestra atmósfera absorbe un neutron, obtenemos nuevamente carbono-14 (y un átomo de hidrógeno). La radiación de neutrones es normalmente menos penetrante que la electromagnética (aunque depende del material), y necesitamos una dosis muy alta para alterar de forma significativa el entorno. Para hacernos una idea, los materiales del núcleo un reactor nuclear, son remplazados y desechados de forma periódica, debido precisamente a la radiación de neutrones, pero son considerados como desechos radiactivos de bajo nivel, y están siendo irradiados constantemente. Otro ejemplo sería una detonación nuclear, en la que el material de los alrededores se vuelve radiactivo, a una distancia en la que ese fenómeno sería el menor de nuestros problemas.

Existe otro caso en el que una persona que haya tenido contacto con material radiactivo, sea peligrosa, y es porque haya sido contaminada. Eso quiere decir que es portadora de material radiactivo, bien porque lo haya inhalado, ingerido, o tenga restos pegados a la piel, entre el pelo, o bajo las uñas. Es decir, no es que se haya vuelto radiactivo por la radiación recibida, sino que ha entrado en contacto directo con material radiactivo externo, y parte se le ha quedado adherido o dentro de él.

Volviendo al episodio de Babylon 5, ninguna de las dos opciones que hemos visto parece posible. Por un lado, para que el piloto se «volviera radiactivo», tendría que haber recibido una dosis brutal de radiación de neutrones. Además, teniendo en cuenta que en muchos casos, los elementos químicos se «transmutan» en otros, seguramente habría muerto casi de inmediato. La contaminación por contacto directo es también descartable, ya que el piloto iba enfundado en un traje de astronauta, completamente presurizado y aislado. En todo caso, se habría contaminado el traje, que le habrían quitado antes de llevarlo al laboratorio médico.

La fusión nuclear y el hidrógeno

Este fin de semana, en el suplemento dominical de El Pais, aparecía un artículo titulado Un sol en la Tierra, que hablaba del ITER y la fusión nuclear. El artículo comienza enumerando las fuentes de energía actuales y sus respectivos problemas de todos conocidos: los combustibles fósiles no durarán mucho y son altamente contaminantes, y la energía nuclear genera residuos radiactivos que duran miles de años. Entonces añade lo siguiente:

¿Qué queda? El hidrógeno no vale porque es un almacén de energía, no una fuente en sí misma. Las energías renovables, por supuesto. Y algo que hoy por hoy no es más que un montón de datos científicos y una esperanza: la energía de fusión nuclear.

El decir que el hidrógeno no vale, para después afirmar que la fusión nuclear es una esperanza, es una contradicción, ya que la fusión nuclear que pretende investigar el ITER, utiliza hidrógeno como combustible. Aún peor, se necesitan dos isótopos de hidrógeno, el deuterio y el tritio, que son menos comunes que el hidrógeno-1.

¿Y cómo funciona esto? Muy fácil. En la fusión nuclear se unen átomos de elementos ligeros para formar átomos de elementos más pesados. En las reacciones que nos interesan como fuente de energía, el total de la masa obtenida es inferior al total de la masa proporcionada, por lo que la diferencia es emitida en forma de energía, siguiendo la conocidísima ecuación E=mc². Se conocen varios tipos de fusión nuclear, pero la más sencilla es la que un átomo de deuterio y otro de tritio, se unen para formar un átomo de helio. Es la misma reacción que se produce en las estrellas durante la mayor parte de su vida.

Entonces ¿qué sentido tiene la afirmación del párrafo? Por un lado, el hidrógeno es muchísimo más abundante que el petróleo, el carbón, el gas o el uranio. Lo tenemos en la atmósfera, en el agua, en numerosos compuestos. Además, es el elemento más común del universo. Pero por otro lado, el deuterio y el tritio son menos comunes que el hidrógeno-1. ¿Cómo se puede descartar el hidrógeno como fuente de energía, pero proponiendo el deuterio y el tritio? Yo no lo sé.

Terminaré con un pequeño matiz, y es que la fusión nuclear, no es una fuente de energía renovable, ya que consume hidrógeno. Una fuente de energía se considera renovable cuando su utilización no altera la fuente, o esta se renueva. Es decir, el sol seguirá emitiendo energía, la aprovechemos o no con placas solares. La luna seguirá dando vueltas alrededor de la tierra, aprovechemos o no la energía maremotriz. Los ríos seguirán fluyendo aprovechemos o no los saltos de agua. Pero el hidrógeno, por muy abundante que sea, se consume. De hecho, hasta las estrellas terminan por consumir su hidrógeno, y sufren cambios a lo largo de su vida, hasta que finalmente "mueren".

Atomic Train (y seguimos)

Ayer comentaba la peli del sábado pasado, Atomic Train, explicando por qué era bastante improbable que se produjese la explosión nuclear cuando el material inflamable del tren saltó por los aires. Hoy seguiremos con la explosión en sí y sus efectos.

Los principales y más inmediatos efectos de una explosión nuclear son básicamente los mismos que en una explosión convencional, pero a una escala muy superior: el calor generado y la onda expansiva. A eso hay que añadirle la inevitable radiación producida, por una lado por la propia explosión, en forma sobre todo de rayos X (que en grandes dosis son letales), y por otro lado en forma de residuos radioactivos, dado que no todo el material fisionable de la bomba es consumido, y parte de él es lanzado en todas direcciones. Existe otro efecto del que hablaremos más adelante, que es el pulso electromagnético o PEM.

El efecto más devastador de una explosión nuclear es sin duda la onda expansiva, debido a que puede propagarse hasta largas distancias, arrasando edificios y destrozando cuerpos humanos. El calor generado y la radiación X sólo son importantes en las cercanías de la explosión, y sólo un milagro podría salvarte en ese caso. Si la onda expansiva no te reduce a puré, el calor te incinerará o la radiación te matará. A la suficiente distancia, sólo hay que tener en cuenta la onda expansiva (en el momento de la explosión, claro, que luego vendrán los problemas de la radiactividad).

Y una onda expansiva no es más que un brutal aumento de presión del aire seguido de vientos a grán velocidad, suficiente para producir destrozos devastadores. En la película, sin embargo, en algunas tomas vemos una especie de lengua de fuego, al más puro estilo ID4. Curiosamente, en otras tomas, sólo vemos la onda expansiva (en realidad, lo que vemos es su efecto). Éstas serían más acordes con la realidad.

Antes he dicho que hablaría de otro importante efecto de una detonación nuclear: el pulso electromagnético. Pero prefiero esperar a mañana, ya que el tratamiento erróneo de los PEMs en el cine da para mucho.

Atomic Train

Este sábado pusieron en la tele un telefilme de esos de "relleno para la tarde" y poco presupuesto, llamado Atomic Train. Tengo que reconocer que tengo un gusto malsano por este tipo de cutrepelículas, y que disfruto más cuanto más malas son. Esta concretamente tiene tal cantidad de burradas y disparates que sería imposibles enumerarlas todas. Y no sólo desde el punto de vista del tratamiento de las leyes físicas, que es lo que nos interesa aquí, sino reacciones absurdas de personajes. Así que de momento me limitaré a comentar una de las escenas que demuestran un nulo interés por documentarse un poco en este tipo de telefilmes: la explosión nuclear.

He de decir que esta película ya la habían puesto anteriormente, como mínimo una vez. Fue en aquella ocasión cuando la vi, y anteayer no pude volver a verla, por lo que habrá cosas que no recuerde bien. Básicamente la película consiste en un tren que lleva entre otras cosas una cabeza nuclear, y que sufre "una serie de catastróficas desdichas" hasta que termina descarrilando cerca de Denver y se incendia. Uno de los personajes se mete en ese infierno para desactivar la cabeza nuclear (y uno se pregunta ¿por qué demonios iba armada?), con la mala suerte que en el mismo vagón donde estaba el artefacto, había contenedores con material inflamable con el agua. Uno de los helicopteros que iban a apagar el fuego suelta su carga de agua y todo salta por los aires, detonando la cabeza nuclear. Una demoledora onda expansiva arrasa Denver, aunque algunos sobreviven para continuar la película.

Un arma nuclear es algo devastador, y por ese motivo se diseña de forma que no sea fácil que explote de forma accidental. ¿Cómo funcionan? Un arma nuclear se basa en reacciones nucleares, que consisten en procesos en los que átomos de determinados elementos se transforman en otros, mediante el intercambio de partículas atómicas (las más conocidas para el profano son los electrones, protones, y neutrones). Estos procesos pueden necesitar energía para que ocurran, o por el contrario, desprenderla. Són estos últimos los que nos interesan si queremos construir un arma. De hecho, es la energía liberada por las reacciones nucleares lo que produce esas inmensas explosiones. Por otro lado, una reacción nuclear puede ser dos tipos: de fusión, en la que varios átomos ligeros se unen para formar otros más pesados (como en las estrellas) o de fisión, en la que átomos pesados se dividen en varios átomos más ligeros (como en las centrales nucleares). Se pueden hacer bombas con cualquiera de los dos tipos de reacciones nucleares, pero las más utilizadas (y las que salen en las películas) son las de fisión.

Vale, muy interesante, pero ¿cómo funciona? Para producir una reacción nuclear de fisión se utilizan normalmente uranio o plutonio. Estos elementos son muy pesados y experimentan una reacción nuclear espontánea cuando alcanzan determinada masa, que se conoce como masa crítica. A grandes rasgos, quiere decir sólo tengo que juntar el suficiente uranio o plutonio y ponerlo todo junto. Lógicamente, no es así de simple, pues influye la forma geométrica del material, y si está rodeado o no de algún material que refleje neutrones, pero de momento vale para entendernos.

Pero ¿cómo funciona? insisto. Ya llegamos a eso. Habitualmente se utilizan dos tipos de diseños para construir un artefacto nuclear. El primero y más primitivo es tener dos trozos de material fisionable (normalmente uranio), que por separado no alcanzan la masa crítica, pero que juntos la superan. Los trozos se colocan separados en una especie de pistón. En uno de los extremos se coloca un explosivo convencional de forma que al detonar, empuja uno de los trozos de material contra el otro, y se inicia la reacción. Este diseño es sencillo, pero poco eficiente, algo peligroso, y además no funciona con plutonio.

El otro diseño consiste en una esfera de material fisionable (uranio o plutonio) rodeada por explosivos milimétricamente colocados y calibrados para que al detonarlos, la esfera de material se comprima de forma brutal, y alcance la masa crítica (a pesar del nombre, no sólo depende de la masa, sino también de la densidad). Este diseño es más complicado y delicado. Si los explosivos no están correctamente colocados o si no explotan como deben, no se alcanzará la masa crítica. Es lo que ocurre, por ejemplo, en la película El Pacificador (George Clooney y Nicole Kidman), en la que al final evitan la detonación nuclear arrancando uno de los paneles explosivos.

El diseño en esfera es el más utilizado de los dos (el otro se considera obsoleto), por lo que volviendo a la película del tren, hemos de suponer que el artefacto nuclear era de este tipo. Y por lo que hemos visto, es casi imposible que se produjese la detonación nuclear cuando el material inflamable del vagón explota.

La cosa no acaba aquí, mañana más.