La química nuclear es la rama de la química que tiene que ver con la radiactividad, con los procesos y propiedades nucleares.
Es la química de los elementos radiactivos tales como los actínidos, radio y radón junto con la química asociada con el equipo (tales como los reactores nucleares), los cuales son diseñados para llevar a cabo procesos nucleares. Esto incluye la corrosión de superficies y el comportamiento bajo condiciones tanto esto universal es como anormales de operación (un ejemplo de este último es durante un accidente nuclear). Un área importante es el comportamiento de los objetos y materiales después de ser dispuestos en un depósito de desechos nucleares o un sitio de eliminación de desechos.
Incluye el estudio de los efectos químicos como resultado de la absorción de radiación dentro de los animales, plantas y otros materiales. La química de radiación controla gran parte de la biología de radiación ya que la radiación tiene efectos en los seres vivos a un nivel molecular, para explicarlo de otra forma, la radiación altera los bioquímicos dentro del organismo, la alteración de las biomoléculas cambian la química que ocurre dentro del organismo; es así como este cambio en la bioquímica puede generar un resultado biológico. Como resultado, la química nuclear asiste de manera significativa a la comprensión de tratamientos médicos (tales como cáncer, radioterapia) y ha permitido que estos tratamientos sean mejorados.
Incluye el estudio de la producción y uso de fuentes radiactivas para cierta gama de procesos. Esto incluye radioterapia en aplicaciones médicas, el uso de trazadores radiactivos dentro de la industria, ciencia y medio ambiente y el uso de la radiación para modificar materiales tales como polímeros.
También incluye el estudio y uso de procesos nucleares en áreas no radiactivas de la actividad humana. Por ejemplo, la espectroscopía de resonancia magnética nuclear (RMN) es comúnmente utilizada en síntesis de química orgánica, fisicoquímica y para análisis estructural en química macromolecular.
Historia reciente
Después del descubrimiento de los rayos X, muchos científicos comenzaron a trabajar en la radiación ionizante. Uno de ellos fue Henri Becquerel, quien investigó la relación entre fosforescencia y el ennegrecido de placas fotográficas. Cuando Becquerel (trabajando en Francia) descubrió esto, sin una fuente de energía externa el uranio generó rayos que pudieron ennegrecer (o empañar) la placa fotográfica, así fue como se descubrió la radiactividad. Marie Curie (trabajando en París) y su esposo Pierre Curie aislaron dos nuevos elementos radiactivos a partir de una mena de uranio. Utilizaron métodos radiométricos para identificar cual era la traza radiactiva después de cada separación química; separaron la mena de uranio en cada uno de sus diferentes elementos químicos que eran conocidos en ese entonces y midieron la radiactividad de cada fracción. Después realizaron un intento para separar aún más estas fracciones radiactivas para aislar una fracción más pequeña con una actividad específica alta (radiactividad dividida por masa). De esta forma aislaron polonio y radio. Se notificó en 1901 que altas dosis de radiación podían causar daños en humanos. Henri Becquerel cargaba una muestra de radio en su bolsillo y como resultado sufrió una dosis altamente localizada que resultó el una quemadura por radiación, este daño generó una investigación en las propiedades biológicas de la radiación, las cuales resultaron en el desarrollo de tratamientos médicos.
Ernest Rutherford, quien trabajaba en Canadá e Inglaterra, mostró que el decaimiento radiactivo puede ser descrito con una ecuación simple (una derivada lineal de primer grado ahora conocida como cinética de primer orden), implicando que dada una sustancia radiactiva esta tiene "vida media" característica (el tiempo que toma a cierta cantidad de radiactividad presente disminuir su fuente a la mitad). También acuñó los términos alfa, beta y gamma, convirtió nitrógeno en oxígeno y lo más importante es que supervisó a los estudiantes que realizaron el experimento Geiger-Marsden (experimento de la placa de oro), el cual mostró que el 'modelo del pudín con pasas' del átomo estaba erróneo. En el modelo del pudín con pasas propuesto por J. J. Thomson en 1904 el átomo estaba compuesto por electrones rodeados por una 'nube' de carga positiva para balancear la carga negativa de los electrones. Para Rutherford el experimento de la placa de oro implicó que la carga positiva estaba confinada en un núcleo muy pequeño, dando así lugar al modelo de Rutherford y finalmente al modelo de Bohr del átomo, en el cual el núcleo positivo está rodeado por los electrones negativos.
En 1934 la hija de Marie Curie (Irène Joliot-Curie) y su esposo fueron los primeros en crear radiactividad artificial: bombardearon boro con partículas alfa para generar el isótopo escaso en neutrones nitrógeno-13; este isótopo emitía positrones.http://nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1935/joliot-fred-bio.html Además bombardearon aluminio y magnesio con neutrones para hacer radioisótopos.
Áreas principales
La radioquímica es la química de los materiales radiactivos, en donde los isótopos radiactivos de los elementos son utilizados para estudiar las propiedades y reacciones químicas de los isótopos no radiactivos (comúnmente dentro de la radioquímica la ausencia de radiactividad genera una sustancia descrita como inactiva mientras que los isótopos son estables).
Química de radiación La química de radiación es el estudio de los efectos químicos de la radiación en la materia; esto es muy diferente de la radioquímica ya que no es necesario que se presente radiactividad en el material que está siendo químicamente modificado por la radiación. Un ejemplo es la conversión de agua en gas hidrógeno y peróxido de hidrógeno.
Química para fuerza nuclear
La radioquímica, química de radiación e ing químico nuclear juegan un papel muy importante para la síntesis de combustibles precursores de uranio y torio, comenzando por las menas de estos elementos, la fabricación del combustible, la química de enfriamiento, reprocesamiento del combustible, tratamiento y almacenaje de desperdicios radiactivos, monitoreo de la liberación de elementos radiactivos durante el proceso de operación del reactor, almacenamiento geológico radiactivo, etc.A.G.Chmielewski, Chemistry for the nuclear energy of the future, Nukleonika, 56(3), 241–249, 2011.
Estudio de las reacciones nucleares
Una combinación entre radioquímica y química de radiación es utilizada para estudiar las reacciones nucleares tales como fisión y fusión. Evidencia reciente para la fisión nuclear fue la formación de un radio-isótopo de vida corta a partir del bario, el cual fue aislado de un neutrón irradiado de uranio (139Ba, con una vida media de 83 minutos y 140Ba, con una vida media de 12.8 días, son productos de fisión del uranio). En aquel entonces se pensó que este era un nuevo isótopo del radio, posteriormente fue una práctica radioquímica estándar para utilizar sulfato de bario precipitado en el aislamiento de radio.. Recientemente, una combinación de métodos radioquímicos y física nuclear han sido utilizados para intentar generar nuevos elementos 'superfuertes'; se piensa que islas de estabilidad relativa existen en donde los núcleos tienen una vida media de año, de esta forma habilitando grandes cantidades de los nuevos elementos para ser aislados. Para más detalles del descubrimiento original de la fisión nuclear ver el trabajo de Otto Hahn.Meitner L, Frisch OR (1939) Disintegration of uranium by neutrons: a new type of nuclear reaction Nature 143:239-240
El ciclo nuclear del combustible
Esta es la química asociada con cualquier parte del ciclo nuclear del combustible, incluyendo reprocesamiento nuclear. El ciclo del combustible incluye todas las operaciones que tienen que ver con producir combustible, desde la minería o mena procesada y enriquecida para la producción del combustible (Parte delantera del ciclo). También incluye el comportamiento 'en pila' (uso del combustible en un reactor) antes de la parte trasera del ciclo. La parte trasera incluye la administración del combustible nuclear usado, ya sea tanto en una alberca de combustible gastado o almacén seco antes de que sea colocado en un espacio de desperdicios bajo tierra o de reprocesado.
Condiciones normales y anormales
La química nuclear asociada con el ciclo nuclear del combustible puede ser dividida en dos áreas principales, a una de ellas le concierne la operación detrás de las condiciones planeadas, mientras que la otra área tiene que ver con una mala operación de las condiciones, en donde una alteración de las circunstancias normales ha ocurrido o (aún más raro) un accidente está ocurriendo.
Reprocesamiento
Legislación
En los Estados Unidos es normal utilizar combustible una vez en un reactor nuclear antes de ubicarlo en un almacén de desechos. El plan a largo plazo es colocar el reactor civil de combustible usado en un almacén profundo. Esta política de no reprocesamiento comenzó en marzo de 1977 debido a las preocupaciones sobre la proliferación de armas nucleares. El presidente Jimmy Carter emitió un decreto Presidencial, el cual suspendía de manera indefinida el reprocesamiento comercial y reciclaje de plutonio en los Estados Unidos. Este decreto se asemejó a un intento de los Estados Unidos para guiar a otros países con el ejemplo, pero muchas otras naciones continuaron reprocesando combustibles nucleares gastados. El gobierno ruso a cargo del presidente Vladímir Putin revocó una ley en la cual se prohibía la importación del combustible nuclear usado, la cual hacía posible para los rusos ofrecer el servicio de reprocesamiento para clientes externos a Rusia (similar al ofrecido por la BNFL).
Química PUREX
El presente método de selección es para utilizar el proceso de extracción líquido-líquido PUREX que usa una mezcla de tributil fosfato/hidrocarburo para extraer tanto uranio como plutonio a partir del ácido nítrico. Esta extracción es a partir de las sales de nitrato y es clasificado como un mecanismo de solvatación. Por ejemplo, la extracción de plutonio por un agente extractor (S) en un medio de nitrato ocurre por la siguiente reacción.
Un enlace complejo es formado entre el metal catión, los nitratos y el tributil fosfato y un compuesto modelo de dioxouranio(VI) complejo con dos nitratos y dos trietil fosfatos ha sido caracterizado por una cristalografía X-ray.J.H. Burns, "Solvent-extraction complexes of the uranyl ion. 2. Crystal and molecular structures of catena-bis(.mu.-di-n-butyl phosphato-O,O')dioxouranium(VI) and bis(.mu.-di-n-butyl phosphato-O,O')bis[(nitrato)(tri-n-butylphosphine oxide)dioxouranium(VI)]", Inorganic Chemistry, 1983, 22, 1174-1178