Física i Química, tercer cafè científic de l’hivern

El temps passa ràpid i darrerament han passat moltes coses en poc temps. Al darrer cafè científic havíem convidat Javier Castelo, físic nuclear, professor del Grup de Física de les Radiacions del Departament de Física (UAB), per parlar-nos d’Els elements de la taula periòdica.

La taula periòdica

Javier va dur una taula periòdica amb els 118 elements descrits fins ara. Ens va fer el símil que els elements serien com les lletres; les paraules, les molècules, i altres combinacions més complexes, les frases i els textos.

A la taula periòdica, exposada el 1868 per Mendeleiev, les files d’elements, agrupen algunes propietats –com ara la distribució dels electrons-, i les famílies, unes altres –com ara les valències, o formes d’agrupar-se; que la Química estudia les reaccions que tenen a veure amb la capa exterior dels àtoms, i que els àtoms tendeixen a agrupar-se sumant vuit electrons en aquesta capa.

Reaccions químiques i nuclears

Que el nucli atòmic no intervé en les reaccions químiques, sinó en les nuclears. I que, per a fer-nos càrrec de les magnituds, una reacció química allibera o capta de l’ordre d’una desena d’electró-volts, mentre que una de nuclear, milions d’electró-volts.

Que reaccions químiques, com ara la combustió del carbó, del petroli o de la dinamita són poderoses; però, per més intercanvi energètic que hi hagi, a les reaccions nuclears s’allibera molta més energia. Si una molècula d’un compost de carboni amb l’oxigen de l’aire, allibera diòxid de carboni i 4 eV, la fissió d’un àtom d’urani 235, allibera de l’ordre de 200 milions d’eV.

Una reacció nuclear és una reacció en cadena iniciada per un detonant, com ara el misto que fa que la llenya cremi en presència d’aire. Un cop començada la reacció, es retro-alimenta, no cal afegir més iniciadors. En una reacció nuclear, els iniciadors són els neutrons, que incideixen sobre àtoms inestables i radioactius. L’aigua, a més de refrigerar l’entorn, també modera els neutrons per aconseguir que els neutrons tinguin l’energia adequada per obtenir la reacció en cadena.

Un reactor nuclear és un recipient com una olla exprés, la paret del qual mesura 20 cm de gruix. Dins el reactor, el material nuclear es guarda en una beina. Enrico Fermi va dissenyar el primer reactor nuclear.

Com s’atura una reacció en cadena? En el cas d’una reacció química, com per exemple, de combustió de carbó, podem sufocar-la traient l’aire (l’O2), traient combustible (el carbó) o afegint aigua, que treu calor. En el cas d’una reacció nuclear, seria pràcticament impossible treure el combustible, per tant es fa retirant els neutrons, amb les barres de control, de cadmi i introduint bor (àcid bòric) a l’aigua.

L’accident al Japó

L’accident de la central de Fukushima al Japó va ser provocat pel tsunami que va seguir al terratrèmol va negar la central i va provocar la pèrdua d’alguns elements bàsics per a poder refrigerar el reactor. El terratrèmol va provocar una parada d’emergència. En no refrigerar la calor que encara seguia emeten el combustible (en podrien fer un símil amb les brases de la combustió) va començar a bullir l’aigua del reactor i per evitar esquerdes en el mateix es va decidir fer despresuritzacions controlades enviant el vapor al exterior.

En augmentar la calor es va produir una reacció química del vapor d’aigua amb la beina metàl·lica que envolta als productes radioactius resultants de la fissió de l’urani. Aquesta reacció química va produir hidrògen que en contacte amb l’aire, a una concentració del superior del 4% va provocar un altre reacció química produint aigua juntament amb una explosió. de l’explosió havia provocat l’evaporació de l’aigua i no en quedava.

Com que el tsunami es va endur possiblement el tanc de gasoil i el motor electrogen, que haguessin permès l’aportació d’aigua per refredar. De manera que el risc és, encara ara, que la beina que guarda les substàncies radioactives es fongui per la calor. La pressió del vapor d’aigua evaporat pot també contribuir a fer petar la beina del reactor.

La central de Fukushima és d’urani. Aquest element, per fissió dóna criptó 36 i xenó 54, ambdós radioactius. La suma dels seus números atòmics fa 90, que s’acosta als 92 del número atòmic de l’urani. La resta de massa són neutrons i l’energia que s’allibera un cop parada la reacció de fissió, es produïda per radiacions α (nuclis d’heli, d’uns 4 milions d’electró-volts), β (electrons, de 600.000 eV) i γ (d’entorn 300.000 eV).

La radioactivitat natural

Només com a referent, nosaltres, amb el potassi radioactiu que tenim en el nostre organisme, emetem 4.000 rajos γ per segon. Però tot el potassi és radioactiu? I, què vol dir ser radioactiu? Doncs que hi ha diferents isòtops, diferents formes del mateix element.

I, Javier ens va un bonic exemple: a casa acostumem a tenir sal fina, sal gruixuda i sal pel rentavaixelles. És molt semblant, però no és ben bé la mateixa. De tota manera, la guardem tota en el mateix lloc: iso topos, en grec. Hi ha entorn 3.000 elements isòtops, dels quals uns 2.800 són radioactius. Això sí, la major part, de vida molt curta, especialment els elements artificials.

Per exemple, el nitrogen de nombre atòmic 7 i pes 14, té un isòtop que pesa 17 unitats i és inestable, per tant, radioactiu. Quan emet radiació, allibera 7 milions d’eV. La seva vida de semi-desintegració és de 7 segons. Això vol dir que cada 7 segons només queda la meitat de nitrogen radioactiu que el segon abans.

Hi ha roques que de forma natural són radioactives. Per exemple, Madrid té més radioactivitat natural que Barcelona, d’una banda perquè està sobre roques granítiques; per una altra banda, perquè està 600 m per sobre del nivell del mar, i l’atmosfera fa de filtre protector de la radiació còsmica. D’una altra banda, alguns materials són més radioactius que altres. Dins una casa, el lavabo amb els sanitaris de ceràmica té més radiació natural que un menjador amb parquet o terra de ceràmica, per exemple.

La fusió nuclear

També hi ha una altra manera d’obtenir molta energia, i seria ajuntant dos nuclis lleugers, per obtenir-ne un de més pesant, com ara fusionant dos nuclis d’hidrogen per obtenir-ne un d’heli. Aquesta reacció allibera molta més energia, de fet és la reacció que té lloc al Sol. Seria molt més barata i menys perillosa que l’energia de fissió. I, el deuteri, l’isòtop de l’hidrogen que caldria emprar, és força freqüent.

Ara per ara, aquesta mena de reacció no es pot sostenir, perquè requereix més energia que no pas allibera. Però per a fer recerca, s’està construint el reactor ITER al sud de França. Es calcula que falten 20 ó 30 anys per tenir una tecnologia apropiada per a poder desenvolupar aquesta tecnologia, i uns 15 més per a fer-la rendible. L’ITER el formen els països de la Unió Europea, Estats Units, Japó, la Xina i Corea.

Urani amb fins nuclears

Una bomba nuclear, com una bomba de qualsevol altre producte químic, està feta per explotar de forma descontrolada i de cop, per fer mal. Cosa que els reactors no ho estan. Una bomba de fissió, d’urani, està feta amb urani altament enriquit (més del 90%).

L’urani més freqüent a la natura, és l’urani de pes 238, entorn un 99,3%. L’urani més escàs (un 0,7%) pesa 235 unitats. Aquest darrer és el que es fissiona. Es pot obtenir un urani molt més concentrat en U235 amb una concentració per pes mitjançant centrifugadores. Ara, amb unes centrifugadores molt especials, perquè l’urani és gairebé el doble de pesant que el plom.

El que es fa és convertir el mineral d’urani a hexafluorur d’urani, un gas i per tant més fàcil de centrifugar. S’enriqueix un tant per cent, fins un 4%, aproximadament. Si es vol una riquesa d’urani radioactiu superior, cal seqüenciar les centrifugacions. Aquestes menes d’instal·lacions són les que es buscaven en Iran, quan el conflicte.

Els usos militars de l’urani enriquit són les bombes i els submarins. Atès que un submarí és un vaixell de guerra, com menys surti a la superfície, millor. Quan eren de diesel, necessitaven un dipòsit d’oxigen per a la combustió, cosa que els obligava a sortir freqüentment a carregar-lo, moment de vulnerabilitat. Ara, els submarins nuclears poden estar fins a sis mesos sota el mar.

L’estratègia energètica

Cada país ha de planificar quina estratègia ha de seguir segons els seus recursos i les seves necessitats. I cal tenir en compte la distribució desigual de la matèria primera. En el cas d’Espanya, se suggereix de dependre 1/3 dels requeriments amb energia fòssil, 1/3 amb energia nuclear i 1/3 amb energia renovable.

Diu Javier que, desafortunadament les energies renovables ara ens proporcionen un 15% de l’energia que consumim, i que pot pujar, però no pot abastir-nos pel que ara fem servir. I no ja a casa, sinó a la indústria. Així, si deixem de ser amics dels qui tenen els combustibles fòssils, si no s’acabaran; si no volem centrals nuclears, i si les renovables no donen, clarament hem de fer un canvi d’hàbits vulguem o no vulguem.

Més: Onkalo, un magatzem definitiu

Webs recomanades:

Elementos químicos, J Aguilar (UV)

Tabla periódica, Lenntech

Tabla periódica, Wikipedia

Tabla periódica, Mokeur

Tabla periódica, Michael Dayah

Tabla periódica, Educaplus

Tabla periódica, joc a diferents nivells de dificultat, per a trobar elements a la taula.

Tabla periòdica ampliada, Wikipedia

Per seguir l’accident del Japó, Javier ens recomana la web del CNS.

Nota: El CSN és per la “Ley 15/1980 de Creación del Consejo de Seguridad Nuclear”, l’únic organisme competent en matèria de seguretat nuclear i protecció radiològica a l’Estat Espanyol.

Llibres recomanats:

Asimov, Isaac (1986). La búsqueda de los elementos. Barcelona: Plaza & Janes Editores.

Bertomeu Sánchez, JR (1999). Nombrar la materia. Una introducción histórica a la terminología química. Barcelona: Ediciones del Serbal.

Faraday, Michael (2004). La historia química de una vela. Tres Cantos: Nivola Libros Ediciones.

Fermi, Laura (1957). Átomos en mi familia. Alcoy: Pàgs. 300.

Mendeléiev, Dimitri I (2008). La regularitat periòdica dels elements químics. Barcelona: SCQ, Institut d’Estudis Catalans.

Nicolau i Pous, Francesc (1995). Els elements que composen el cosmos. Barcelona: Editorial Claret.

Imatge Taula periòdica: Wikimedia Commons