Trompetas por Fukushima

A modo de maldición medieval, la radioactividad es algo que pocos comprenden pero que todo el mundo teme.

Como todo lo que se puede encontrar en la tierra, los materiales radioactivos están compuestos de átomos. A diferencia de los átomos normales, los átomos radioactivos tienen la propiedad de romperse espontáneamente expulsando violentamente parte de sus componentes. Esos pedazos expulsados constituyen la radiación, que se puede dividir en tres clases: las partículas alfa (que consisten en un manojo de dos protones y dos neutrones), las partículas beta (que son electrones) y los rayos gama (hechos de fotones o partículas de luz). Cuando un átomo radiactivo emite radiación, cambia su naturaleza transformándose en otro material. Podríamos imaginarnos un átomo radioactivo como un trompetista que solo conoce tres notas, y que queda agotado, enfermo o loco luego de tocar alguna de ellas.

Los materiales radiocativos están compuestos por un montón de átomos ordenados en un arreglo regular o "red cristalina". Cuando alguno de ellos se rompe emitiendo radiación, las partículas expulsadas pueden ser abosorbidas por alguno o varios de los átomos vecinos, los cuales quedan entonces en un estado "excitado". Es como si muchos de los trompetistas mencionados formaran una banda militar perfectamente ordenada. Cuando alguno de ellos toca su nota, esta es escuchada por alguno o varios de los que están más cerca, los cuales se sienten estimulados al oirla.

Como consecuencia, alguno o varios de los átomos excitados pueden emitir a su vez radiación, estimulando a sus vecinos. Es decir, alguno o varios de los trompetistas motivados al oir la nota de su colega, deciden a su vez sonar su trompeta. Este mecanismo tan simple tiene en principio dos posibles consecuencias. 

Cuando la emisión radiocativa de un átomo excita a uno o ningún vecino, se dice que la masa de átomos es subcrítica. La mayor parte de las emisiones radioactivas serán espontáneas, siendo pocos los átomos excitados por la emisión de algún vecino. Si los trompetistas están muy alejados entre sí, el primer trompetazo es oído solo por uno o por ninguno de los demás trompetistas, los cuales a su vez suenan sus trompetas para ser oídos por uno o por ninguno de sus colegas, con lo que en poco tiempo las consecuencias del trompetazo inicial se extinguen, escuchándose sólo unas pocas notas extra. Si a continuación algún otro de los músicos decide por moto propio sonar su nota, de nuevo sus consecuencias serán efímeras.

Cuando la emisión radioactiva de cada átomo estimula a varios más, la masa de átomos se dice supercrítica. En este caso, cada átomo excita a varios vecinos, cada uno de los cuales emite a su vez radiación que excita a más vecinos. Si los trompetistas están lo bastante cerca entre sí, el trompetazo inicial será oído por varios colegas, cada uno de los cuales a su vez sonará su trompeta para ser oído por varios más, resultando en una creciente sonoridad que se extenderá sin detenenrse a toda la banda, terminando en una explosión sonora capaz de destruir la formación.

Existe una tercera posibilidad, y es que cada uno de los átomos emita radiación que excita a uno y sólo uno de sus vecinos. En ese caso se dice que la cantidad de átomos ha alcanzado la "masa crítica". Es como si la distancia entre los trompetistas se hubiera elegido cuidadosamente de modo tal que al sonar uno de ellos la trompeta, uno y sólo uno de sus colegas lo escuche. En ese caso, un tono espontáneo inicial sería repetido por un vecino, y luego por otro, y luego por otro, escuchandose una música suave y constante.

Un reactor nuclear típico consiste en varios bloques de material radioactivo entre los cuales se intercalan otros bloques "de control" de material inerte, cuyos átomos absorben la radiación sin excitarse. Insertando los bloques  de control en sus lugares, los átomos  inertes absorben las partículas emitidas por los átomos de un bloque radioactivo, evitando que alcancen al bloque vecino, cuyos átomos no serán entonces excitados. De este modo la reacción se mantiene subcrítica.  Retirando en cambio los bloques de control, las partículas emitidas por los átomos de uno de los bloques radioactivos alcanzan a los del bloque radioactivo vecino y los excitan, haciéndolos emitir a su vez. La reacción entonces se vuelve supercrítica. Es como si armáramos varias legiones de trompetistas e intercaláramos entre ellas varias legiones de soldados rasos, cuya única función sería interponerse entre las legiones de músicos para que no puedan oirse entre sí. Si queremos que la música se apague, intercalamos muchos grupos de soldados. Si en camibo queremos que el sonido se vuelva insoportable, quitamos a todos los soldados de en medio para que los músicos puedan estimularse mutuamente. Controlando cuidadosamente la cantidad y posición de los soldados, podemos lograr que la música se mantenga suave en su masa crítica.

El punto que hace de los materiales radioactivos algo útil, es que la radiación produce calor. Al emitir y absorver radiación las partículas se agitan, y el material radioactivo se calienta por si mismo, sin la necesidad de acercarle una fuente externa. Por lo tanto, si mantenemos la reacción a un nivel crítico autosotenido, el calor resultante puede utilizarse para hervir agua y con ella mover turbinas generadoras de eletricidad. Dado que luego de emitir radiación los átomos radioactivos se transforman en átomos de un material diferente del original, en algunos casos gaseoso, es importante que todo el reactor esté encerrado dentro de una cápsula hermética, que evite que estos productos escapen. Al sonar su instrumento el trompetista se agita ligeramente y empuja a quienes lo rodean, agitándolos también. El movimiento resultante de la formación es lo que el ejército pretende aprovechar. Sin embargo, como luego de tocar cada uno de los músicos queda agotado, enfermo o loco, es importante que el cuartel sea una buena cárcel, para evitar desmanes en los burdeles vecinos. 

Los reactores nucleares se vuelven peligrosos cuando no es posible introducir los bloque de control, o cuando aún introducidos, la cantidad de calor generada es demasiado alta. Esto último es lo que sucede en Fukushima. En ese caso, las altas temperaturas pueden fundir las partes metálicas del reactor, y eventualmente fisurar la cápsula hermética que lo contiene. El vapor de agua y los materiales radioactivos que se liberarían como resultado podrían contaminar gravemente la zona y, dependiendo de la cantidad, ser transportados por los vientos alrededor del globo extendiendo la contaminación a todo el hemisferio.

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Se agradece a Martín LatinoK por señalar el mal uso de la palabra "moderador" en la versión previa de este post, que ya ha sido corregido. Pasa cuando uno se pone a escribir sobre temas en los que toca de oído.