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Grupo 8

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  • David Franco Miranda
  • Sara García Morato
  • Alejandro García Trave
  • Patricia García-Aranda Sánchez
  • Noelia García-Calderón Lozano
  • Sara García - Navas Pavón






Introducción

La química nuclear centra su estudio en la estructura, composición y las energías involucradas en los procesos de transformación que ocurre en los núcleos atómicos. Estos procesos pueden ocurrir de forma natural o artificial. El estudio de la química nuclear se inicia con el descubrimiento de la radiactividad que se considera el resultado de la desintegración de núcleos inestables produciendo emisión de radiación (partículas y/o energía).






Un poco de historia



Henri Becquerel, físico francés que ganó en 1903, junto a Pierre Curie y Marie Sklodowska Curie, el premio Nobel en física por sus estudios en radiactividad.
Henri Becquerel, físico francés que ganó en 1903, junto a Pierre Curie y Marie Sklodowska Curie, el premio Nobel en física por sus estudios en radiactividad.

La radioactividad natural consiste en la transmutación espontánea originada a partir de un núcleo atómico inestable. Este proceso fue descubierto de forma accidental por el químico francés Henri Becquer en el año 1896 al investigar la fluorescencia y fosforescencia de una sal que contenía minerales de uranio. En 1898, los Curie continuaron estos estudios y descubrieron que había más elementos con estas propiedades como el polonio y el radio. En 1899, Rutherford comenzó a investigar la naturaleza de las radiaciones emitidas por el uranio, las llamó alfa y beta. En 1900, Paul Villard descubrió los rayos gamma, un tercer tipo de radiación que emiten las sustancias radioactivas (similar a los rayos x).

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Tipos de radiaciones




particula.jpgRadiaciones ALFA (α): son partículas formadas por dos protones y dos neutrones, parecidas al átomo de helio, emitidas por la desintegración de átomos de elementos pesados, como por ejemplo; uranio, radio, plutonio.. Pueden llegar a alcanzar una velocidad mayor que la de la luz .Al atravesar el aire, chocan con muchas partículas y las ionizan, producen un desprendimiento de gran numero de electrones en los orbitales de esas particulas, por lo que esta radiación desaparecerá a poca distancia de ser creada, al incidir sobre un sólido la detiene fácilmente por ejemplo una lámina de aluminio de 0,1 mm de grosor, como una hoja de papel o la epidermis, las frena totalmente e impide su paso, aunque ionizan toda la materia, como representa la fotografía anterior.Su efecto biológico y peligrosidad a efectos de contaminación interna es alta.



Radiación BETA (β): las partículas beta tienen una carga negativa y una masa muy pequeña, por ello reaccionan menos frecuentemente con la materia que las alfa pero su poder de penetración es mayor que en estas (casi 100 veces más penetrantes). Son frenadas por metros de aire, una lámina de aluminio o unos cm. de agua.
Aniquilación positrón - electrón produciendo partículas gamma
Aniquilación positrón - electrón produciendo partículas gamma


Radiación GAMMA (γ): es un tipo de radiación electromagnética, producida generalmente por elementos radiactivos o por procesos subatómicos como la aniquilación de un par positrón (antielectrón) - electrón. También se genera en fenómenos astrofísicos de gran violencia.Debido a las altas energías que poseen, los rayos gamma constituyen un tipo de radiación ionizante capaz de penetrar en la materia más profundamente que la radiación alfa y la beta.





En este vídeo se explican las consecuencias de un fenómeno astrofísico de gran violencia ; la destrucción de una estrella.



Aplicaciones en la medicina



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  • Los radiotrazadores(sustancias marcadas isotópicamente) han encontrado uso como herramienta en el diagnóstico de la medicina. Los radioisótopos se incorporan en el compuesto que se administra a un paciente generalmente por medio intravenoso. Estos se usan porque tienen una gran capacidad para localizar y centrarse en el órgano o tejido que se investiga.

  • Otra técnica en la que se usan es en la tomografía de emisión de positrones (TEP), la cual es una herramienta muy útil para el diagnóstico de muchas enfermedades. Esta técnica consiste en inyectar al paciente un compuesto que contiene radionucleótidos , los cuales se desintegran por emisión de positrones. Esto sirve al investigador para seguir el flujo de la sangre y el órgano a estudiar debe estar marcado por un radionúclido emisor de positrones, que normalmente son el carbono-11, el flúor-18, oxígeno-15 y nitrógeno-13.

  • Radiotexternal image radioterapia.jpgerapia: es el uso de radiación ionizante para destruir células cancerosas y reducir el tamaño de los tumores. La radioterapia lesiona o destruye las
células de la zona que se trata impidiendo de esta manera que crezcan o se dividan. Además no solo afectan a células cancerosas, sino también a células normales, pero muchas de estas tienen la capacidad de regenerarse y seguir funcionando. Este método se usa para tratar cáncer localizados en distintos lugares, así como la leucemia y el linfoma. La dosis que suministramos en cada zona depende de varios factores, incluso el tipo de cáncer y si hay órganos o tejidos afectados que puedan ser dañados.



  • Esterilización de productos químicos y biológicos: generalmente las radiaciones se utilizan para esterilizar todas aquellas herramientas y productos utilizados en el laboratorio y por tanto eliminar todo rastro de microorganismos presente en ellos. Generalmente se utilizan tres métodos:
    a) Por destrucción total de microorganismos.
    b) Por muerte o inactivación.
    c) Por eliminación por medios físicos.

Aplicaciones en la agricultura



El uso de las técnicas nucleares en la agricultura permite conseguir que sea sostenible y eficiente, sin causar ningún daño al medio ambiente. Algunas de las técnicas utilizadas permiten:

Control de plagas
Control de plagas

  • Erradicar plagas: Tradicionalmente se empleaban los insecticidas, pero por su composición química constituían un potencial riesgo de contaminación ambiental y de existencia de residuos tóxicos en los alimentos. Además, los insectos desarrollaban mayor resistencia ante ellos, teniendo que emplear mayores cantidades.
    En la actualidad, se están desarrollando nuevos métodos de lucha contra los insectos, que no suponen un riesgo para el medio ambiente. Se pueden destacar los siguientes:
    • Técnica de insectos estériles (TIE): consiste en la producción de grandes cantidades de insectos en plantas de cría, los cuales se esterilizan con radiación gamma, procedente de fuentes radiactivas de cobalto-60 y cesio-137, para ser liberados en las zonas afectadas por la plaga. Cuando los insectos estériles se acoplan con los insectos silvestres no se producen crías, disminuyendo así la población de los insectos de la plaga.
    • Manipulación genética para la selección de insectos macho: la liberación de insectos únicamente machos permite erradicar las plagas de moscas reforzando la técnica TIE. Para manipular genéticamente las moscas, de manera que sólo se liberen machos, mediante radiaciones ionizantes se alteran los cromosomas.
    • Esterilidad heredada: esta técnica se emplea fundamentalmente para erradicar plagas de polillas. Se ha comprobado que irradiando con bajas dosis a una población de polillas, sus descendientes resultan estériles, pudiendo controlar así esta familia de insectos. Para esta técnica, las fuentes empleadas son emisoras gamma (cobalto-60).

  • Fitotecnia. Se desarrollan nuevas variedades de alimentos que presentan mejor resistencia a enfermedades, mayor calidad y rendimiento.
  • Optimizar el uso de fertilizantes aplicados a los cultivos y el uso del agua. Las técnicas isotópicas pueden ayudar a evaluar la vulnerabilidad de las aguas subterráneas a la contaminación procedente de la superficie, y permiten precisar las fuentes de contaminación superficiales (naturales, agrícolas, domésticas e industriales) descubriendo una incipiente contaminación, sirviendo de alerta temprana cuando los indicadores químicos o biológicos no muestran signos preocupantes.Aprovechando su capacidad “esterilizante”, se emplea la radiación para la eliminación de los gérmenes patógenos de aguas residuales. A nivel internacional, se ha impulsado el uso de aceleradores de haces de electrones avanzados para el tratamiento a gran escala de aguas contaminadas, dirigido fundamentalmente al tratamiento de aguas residuales y agua potable.

  • Riego. La producción agrícola requiere la presencia de suficiente agua en el suelo.La hidrología isotópica permite conocer el comportamiento del agua y ayuda a establece las bases para un uso racional de este recurso. Los principales usos de los radioisótopos son la datación, para conocer la edad y el tiempo de tránsito de las aguas, y como trazadores para determinar el origen, la velocidad de flujo, las fuentes de contaminación y los procesos de degradación. Entre los isótopos radiactivos empleados destacan el tritio, el carbono-14, el oxígeno-18 y el cloro-36.La aplicación de las técnicas isotópicas en hidrología permite obtener información sobre las aguas subterráneas, en lo que se refiere a su origen, edad, distribución, calidad del agua y posibles interconexiones con acuíferos, y sobre las aguas superficiales, en lo que se refiere al transporte de sedimentos suspendidos en el fondo, las posibles filtraciones de las represas y descargas de los ríos, la tasa de sedimentación y la filtración a los conductos subterráneos.


Alimentación y radiación





Como se ha comentado al principio la fitotecnia es una técnica mediante la cual se pueden "mejorar" los alimentos. Esto se consigue mediante la irradación de los mismos. Se irradian con la finalidad de aumentar su conservación, prevenir las enfermedades producidas por estos, para controlar los insectos que puedan afectar a los alimentos, para retrasar la germinación y la maduración de los frutos y además para esterilizar los alimentos y que sea posible conservarlos durante largos periodos, sin refrigeración.



Existen 3 fuentes de irradación aprobadas para su uso en los alimentos:

  • Los rayos gamma: emitidos desde formas radiactivas del elemento cobalto o cesio
  • Los rayos X: producidos por la reflexión de un flujo de electrones hiperenergéticos de una sustancia objetivo hacia el alimento.
  • Haz de electrones: se trata de un flujo de electrones impulsado por un acelerador hacia el alimento.



Aunque este método posee una serie de ventajas, también hay una serie de desventajas: la principal es la producción de cambios organolépticos indeseables producidos al irradiar alimentos líquidos o muy grasos. Otra limitación es el alto costo de la instalación y el temor al rechazo del consumidor.

Aún así está respaldado por organizaciones como la OMS, FAO o ADA, que estos alimentos son seguros para el consumo. Además la irradación se considera un proceso tan seguro que en algunos países como EEUU o Gran Bretaña la utilizan en la alimentación de pacientes inmunocomprometidos( el inmunocompromiso es una condición en la cual las defensas contra las enfermedades se ven disminuidas) hospitalizados.


Fotosíntesis y radiactividad




La fotosíntesis, uno de los procesos más importantes estudiados en el reino vegetal, está relacionado con la radiactividad, pero, ¿en qué sentido? Como hemos hablado anteriormente los trazadores radiactivos se usan para el estudio de procesos biológicos, y se mencionó el de la fotosíntesis. Los trazadores en la fotosíntesis se utilizaron para saber cuales eran los compuestos que las plantas fabrican durante la transformación del CO2 atmosférico en azúcar,...

Para ello los investigadores suministraron 14CO2 a las plantas, el primer compuesto en el que apareció el trazador radiactivo fue el 3-PGA, y posteriormente apareció en otros compuestos más, antes de aparecer en la glucosa. Gracias a estos resultados se conoce la ruta por la cual las plantas fabrican glucosa a partir de CO2.

El experimento se llevo a cabo con una colonia de algas verdes. Las algas se colocaron en la oscuridad y se extrajeron muestras a determinados intervalos y se separaron los compuestos radiactivos mediante cromatografía en papel para analizarlos. A partir de estos resultados se dilucidaron varias reacciones fotosínteticas independientes de la luz.



Otro aspecto en el que se utilizaron trazadores radiactivos en el estudio de las plantas fue en el proceso de ingestión de fósforo por las plantas mediante radiofósforo.


Otras aplicaciones de la química nuclear:



  • Los detectores de incendio:Una pequeña fuente radioactiva ioniza los átomos de oxígeno y de nitrógeno contenidos en un volumen reducido de aire. La llegada de partículas de humo modifica esta ionización. Por esta razón se realizan y se utilizan en los comercios, fábricas, despachos... detectores radioactivos sensibles a cantidades de humo muy pequeñas.
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  • Las pinturas luminiscentes: Los tableros de instrumentos para la conducción de noche.Se trata de las aplicaciones más antiguas de la radiactividad para la lectura de los cuadrantes de los relojes.

  • La alimentación de energía de los satélites: Las baterías eléctricas funcionan gracias a pequeñas fuentes radioactivas con plutonio 239, cobalto 60 o estroncio 90. Estas baterías se montan en los satélites para su alimentación energética. Son de tamaño muy reducido y pueden funcionar sin ninguna operación de mantenimiento durante años.



Inconvenientes de la química nuclear




Efectos de la radiactividad en la salud humana
A pesar de las útiles aplicaciones mencionadas anteriormente, la radiactividad también presenta efectos perjudiciales sobre la salud humana que se manifiestan en enfermedades como cataratas, cáncer, malformaciones o problemas cardiovasculares.

Los principales elementos que causan enfermedades del tipo radiactivo son:

  • Plutonio: elemento muy tóxico que sólo es producido durante las reacciones nucleares, por lo que no se encuentra en la naturaleza. Éste es reconocido por el cuerpo como hierro y es absorbido por los músculos y los eritrocitos lo que origina enfermedades como leucemia, linfomas y mielomas. Partículas de plutonio extremadamente pequeñas pueden causar cáncer de pulmón si son inhaladas, pero además cantidades considerablemente mayores pueden causar envenenamiento agudo por radiación y muerte si son ingeridos o inhalados. Sin embargo, aun no se sabe de ningún caso de muerte producida por el plutonio a pesar de que muchas personas tienen cantidades medible de plutonio en su cuerpo. Además, debido a que el plutonio no tiene radiaciones gamma, no es probable notar efectos sobre la salud por trabajar con plutonio, a no ser que sea respirado o tragado de algún modo. Una vez que los respiras, puede permanecer en los pulmones o moverse hasta los huesos u otros órganos. Generalmente permanece en el tiempo durante un largo periodo.
  • Yodo 131: se almacena en la glándula tiroides, sobre todo durante la infancia lo cual da lugar a que se dé abundancia de cáncer de tiroides en niños. La terapia del yodo radioactivo (I-131) es un tratamiento para la actividad excesiva de las glándulas tiroides, lo denominado hipertiroidismo. Esta enfermedad puede ser debido a dos causas, por un lado por la enfermedad de Graves, en la cual la glándula tiroides trabaja en exceso, o bien por nódulos que se producen dentro de la glándula y que provocan una cantidad excesiva de la hormona tiroidea. Cuando se traga una pequeña dosis de I-131, el mismo es absorbido hacia el torrente sanguíneo en el tracto gastrointestinal y es concentrado desde la sangre por la glándula tiroides, donde comienza a destruir las células de la glándula.
  • Estroncio 90: elemento bastante parecido al calcio y que es asimilado como tal por los huesos, produciendo varios tipos de cáncer de huesos y de médula.
  • Cesio 137: se comporta como el potasio y se incorpora en el cuerpo a una gran velocidad atacando a músculos y órganos internos , lo que provoca un gran crecimiento celular en el organismo. En concentraciones altas da lugar a problemas gastrointestinales y sanguíneos. Cuando una persona esta expuesta por un corto periodo a este isótopo radiactivo puede causar efecto como náuseas, vómitos
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Estos elementos pueden ser fácilmente transportados y transmitidos a grandes poblaciones por medios como el aire, los ríos, la fauna y la flora, aumentando aún más su peligrosidad.


Accidente nuclear de Chernóbil (26 de Abril de 1986): considerado el más grave de la historia, afectó a un área de 30 km alrededor de la central con materiales radiactivos de este tipo. Esta contaminación aún perdura en la actualidad.






Residuos radiactivos


Los residuos radiactivos suelen surgir como subproductos o productos secundarios de un proceso nuclear, como el caso de la conocida fisión nuclear. Los Residuos radiactivos también pueden llegar a generarse durante otros procesos, por ejemplo cuando se procesa el combustible de los reactores nucleares o bien para armas nucleares, e incluso tras aplicaciones médicas tales como la radioterapia o la moderna medicina nuclear, descritas anteriormente.
Las instalaciones donde se producen estos materiales radiactivos con los fines anteriores, generan en su funcionamiento residuos radiactivos que están activos durante miles de años y que suponen un gran problema. Su principal característica es: su gran peligrosidad, debido a que cantidades muy pequeñas pueden originar cantidades de radiación muy peligrosas para nuestra salud.
Existen controles como El Consejo de Seguridad Nuclear que ejerce la vigilancia y control de los residuos radiactivos generados en las instalaciones nucleares y radiactivas cuyo objetivo es garantizar que los residuos radiactivos no se dispersen en el medio ambiente, de forma que la radiactividad que contengan pueda suponer un riesgo para la población.

Su origen puede ser :

  • Minería y tratamiento del mineral de uranio: estas actividades producen grandes volúmenes de residuos, con un porcentaje de uranio residual, que se acumulan en eras o diques, de los cuales emana el gas noble radiactivo radón 222, y en algunos casos, radón 220.

  • Fabricación del combustible: el uranio natural extraído en las minas puede utilizarse directamente en algunos tipos de reactores. Para los reactores de agua a presión o en ebullición, se utiliza uranio enriquecido en U 235.Durante el proceso de enriquecimiento y fabricación del combustible se generan pequeñas cantidades de residuos sólidos y líquidos ligeramente contaminados de uranio.

  • Los reactores para producción de energía eléctrica: la operación de las centrales nucleares da lugar a la generación de residuos sólidos que contienen, productos de activación y fisión por lo que se producen residuos en la depuración del agua de los sistemas de refrigeración del reactor y en la descontaminación de la maquinaria. Entre estos residuos se encuentran resinas, filtros, materiales metálicos, papel, ropas, etc.

  • Combustible irradiado: la mayoría de los reactores nucleares de producción de energía eléctrica utilizan como combustible uranio ligeramente enriquecido en U-235. Cuando este combustible se descarga del reactor contiene un 4,9% de productos de fisión e isótopos radiactivos formados en el reactor. El combustible irradiado genera calor por lo que este combustible,constituye un residuo de alta actividad que debe ser previamente "enfriado" antes de proceder a su acondicionamiento.

  • Medicina e industria:los materiales radiactivos se usan en medicina, industria, agricultura e investigación. Los residuos radiactivos se generan debido al uso de isótopos radiactivos para el diagnóstico y el tratamiento de enfermedades. Normalmente se emplean elementos radiactivos no encapsulados (usualmente en estado líquido) como trazadores para el estudio de diversos órganos. Estas actividades generan materiales de desecho contaminados con elementos radiactivos tales como agujas, viales, guantes, papel, tejidos, etc. Los ensayos de ciertos productos con animales, dan lugar a los residuos biológicos a los que hay que proporcionar un tratamiento similar a cualquier otro residuo radiactivo.Por otro lado, cualquier parte de la célula puede ser alterada por la radiación ionizante surgida a partir de residuos radiactivos , o por algun accidente nuclear(que explicaremos a continuación), pero el ADN es el blanco biológico más crítico debido a la información genética que contiene. El daño en las moléculas de ADN que queda sin reparar o es mal reparado puede manifestarse en forma de mutaciones cuya frecuencia está en relación con la dosis recibida.
    En consecuencia, el daño biológico puede producirse en el propio individuo (efecto
    somático) o en generaciones posteriores (efecto genético), y en función de la dosis recibida
    los efectos pueden ser inmediatos o diferidos en el tiempo, con largos periodos de latencia.

    En procesos industriales, está especialmente extendido el uso de fuentes encapsuladas.


Todos los residuos radiactivos que se generan, tanto en las aplicaciones médicas como en las industriales, son residuos de baja y media actividad



Accidentes nucleares


Aunque son escasos, son muy perjudiciales para la salud pública y medioambiental, por no hablar de los problemas sociales (rechazo frente a este tipo de energía) y económicos que causan. Pueden producirse por fallos técnicos o humanos. Para evitarlos o atenuar sus efectos se recomienda utilizar generadores nucleares solamente en áreas alejadas de núcleos urbanos y tener siempre presente que el error humano siempre es probable. Los accidentes de este tipo más graves de la historia son el accidente de Three Mile Island (Pensilvania en 1979) que se debió a un fallo técnico en el reactor nuclear y el famoso accidente de Chernóbil (Ucrania en 1986) debido a un error de los trabajadores de la central.

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El último gran accidente nuclear fue el de la central de Fukushima (2011), provocado por un fallo técnico al iniciarse un terremoto y, posteriormente, un tsunami.Se cree que pudo haber sido previsto y evitado.



Otros inconvenientes

-Los sistemas de seguridad dependen mucho del factor humano, por lo que se debería invertir más en sistemas pasivos y automáticos
-La producción de las centrales nucleares es constante, incluso durante la noche cuando el consumo es menor (la gente duerme), produciéndose un desperdicio del excedente nocturno.
-No son rentables económicamente debido a los elevados costes de construcción y gestión.
-El desmantelamiento de las centrales es muy problemático debido a posibles accidentes.

Conclusión

Tenemos una idea equivocada en ciertas ocasiones sobre la radiactividad, ya que como hemos podido ver hay más ventajas que inconvenientes y gracias a la radiactividad se han producido grandes avances en algunos campos de la investigación, como en la agricultura, medicina, etc.


Bibliografía:

-Tipos de radiaciones
http://www.oni.escuelas.edu.ar/2002/buenos_aires/radiacion/tipos.htm
http://quimicalibre.com/positron/
-Efectos de la radiactividad en la salud humana
www.bomberoshumanitarios.org/pdf/agentes.pdf
http://www.losandes.com.ar/notas/2011/3/15/que-enfermedades-provoca-radiacion-556368.asp
-Accidentes nucleares
http://www.energia-nuclear.net/es/accidentes_nucleares.html#.UKPJz2fO97A
http://internacional.elpais.com/internacional/2011/03/12/actualidad/1299884412_850215.html
-Aplicaciones
http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen1/ciencia2/42/htm/sec_13.html
http://www.biologia.edu.ar/microind/esterilizaci%C3%B3n.htm
http://www.ecured.cu/index.php/Energ%C3%ADa_nuclear
http://www.xtec.cat/~jbiayna/jjcc/arxiu/treballs03/pdf/61.pdf
http://www.energia-nuclear.net/
http://www.cofis.es/pdf/libros/origen.pdf
http://www.ecologiahoy.com/residuos-radiactivos
http://www.csn.es/index.php?option=com_content&view=article&id=133&Itemid=138&lang=es
-Fotosíntesis
http://platea.pntic.mec.es/~jdelucas/radiactividad.htm
http://books.google.es/books?id=NI2qFwNNYX4C&pg=PA21&lpg=PA21&dq=estudio+de+la+fotosintesis+mediante+trazadores&source=bl&ots=Xl3uGdqSsv&sig=K4WLriSxRzoJGmqqDsuIpv9P7ZY&hl=es&sa=X&ei=OninUJamKKep0AXGs4GoAQ&ved=0CDUQ6AEwAw#v=onepage&q=estudio%20de%20la%20fotosintesis%20mediante%20trazadores&f=false
-Alimentación
http://www.alimentacion.org.ar/index.php?option=com_content&view=article&id=1137:alimentos-irradiados&catid=38:publicaciones-especializadas&Itemid=56
http://www.fda.gov/downloads/Food/ResourcesForYou/Consumers/UCM262298.pdf