Elcicle del combustible nuclear comença quan s'extreu en una mina l'urani, després és enriquit i fabricat per al combustible nuclear (1) que es lliura a unacentral nuclear. Després d'un ús a la central, el combustible gastat es lliura a una planta de reprocessament (si el combustible es recicla) (2) o a un emmagatzemament final (si no es fa reciclatge) (3). Amb elreprocessament el 95% del combustible gastat podria ser reciclat per ser retornat pel seu ús en unacentral nuclear (4).
Laquímica nuclear és la part de laquímica que estudia les propietats i aplicacions delsnuclis atòmics mitjançant mètodes químics.
Els químics nuclears duen a terme: (a) estudis de lespropietats químiques ifísiques delselements químics més pesants on la detecció de ladesintegració radioactiva és una part essencial del treball; (b) estudis de propietats del nucli atòmic com l'estructura, reaccions, i la desintegració radioactiva per part de científics formats com a químics; (c) estudis de fenòmens macroscòpics (com ara lageocronologia o l'astrofísica) on els processos nuclears estan íntimament implicats; i (d) l'aplicació de tècniques de mesura basades en fenòmens nuclears (com l'anàlisi d'activació otraçadors radioactius) per estudiar problemes científics en diversos camps.[1] La part de la química nuclear que treballa en l'estudi de les propietats químiques dels materials radioactius i, en particular, l'ús de materials radioactius en problemes químics s'anomenaradioquímica.[2][3]
La química nuclear està vinculada a totes les branques de la química i la recerca dels químics nuclears abasten sovint diverses àrees tradicionals de la química com araorgànica,analítica,inorgànica iquímica física. Per exemple, els químics nuclears participen sovint amb lasíntesi i preparació de molècules radiomarcades per al seu ús en recerca o medicina. Les tècniques d'anàlisi nuclear són una part important de l'arsenal del químic analític modern. L'estudi delsactinoides itransactinoides ha implicat els esforços conjunts de químics nuclears i inorgànics per ampliar el coneixement de lataula periòdica.[1]
Les recerques enfísica nuclear i en química nuclear se superposen en gran manera i, en reconeixement d'aquesta superposició, se'ls fa referència col·lectivament amb l'expressió «ciència nuclear». Tanmateix, hi ha distincions fonamentals i rellevants entre aquestes dues disciplines. A més dels lligams estrets amb la química tradicional citats anteriorment, els químics nuclears tendeixen a estudiar els problemes nuclears de diferents maneres que els físics nuclears. Gran part de la física nuclear se centra en estudis detallats de lesinteraccions fonamentals que operen entre lespartícules subatòmiques i les simetries bàsiques que regeixen el seu comportament. Els químics nuclears, per contra, s'han centrat en estudis de fenòmens més complexos on el «comportament estadístic» és important. Els químics nuclears tenen més probabilitats d'estar implicats en aplicacions dels fenòmens nuclears que els físics nuclears, tot i que hi ha clarament un encavalcament considerable en les seves tasques. Alguns problemes, com l'estudi delcicle del combustible nuclear alsreactors nuclears o la migració denúclids al medi, són tan intrínsecament químics que impliquen gairebé exclusivament els químics.[1]
A principis del 1896, el físic francèsHenry Becquerel (1852–1908) descobrí casualment laradioactivitat quan realitzava estudis defosforescència amb mostres de minerals d'urani,[4] data que es considera la del naixement de lafísica nuclear i de la química nuclear. Tot seguit altres científics, entre els quals destaquen la física polonesaMarie Curie (1867–1934) i el seu marit, el físic francèsPierre Curie (1859–1906), iniciaren la investigació de la naturalesa de la radioactivitat la qual cosa conduí a l'estudi de l'estructura delnucli atòmic, encara no descobert en aquells anys. El neozelandèsErnest Rutherford (1871–1937) demostrà que la radiació emesa per les substàncies radioactives correspon a tres tipus diferents,raigs alfa,beta igamma, que després s'identificaren com a nuclis d'heli els raigs alfa,electrons els beta ifotons d'alta energia els gamma.
El 1911 Rutherford, el físic alemanyHans Geiger (1882–1945) i el físic britànicErnest Marsden (1889–1979) realitzaren l'experiment de la làmina d'or, en el qual dispersaven partícules alfa contra nuclis d'or i altres metalls pesants. Aquests experiments posaren de manifest existeix una zona central de l'àtom, que Rutherford anomenà nucli, que conté tota la càrrega positiva, quasi tota la massa i que té un volum extremadament petit en comparar-lo amb el volum de l'àtom.[5] El 1929 el físic rusGeorge Gamow (1904–1968) proposà tractar el nucli com una gota delíquid.[6][7]
Hevesy György, Georg Karl von Hevesy oGeorge de Hevesy (1885 - 1966)
En els primers anys del segle XX les tècniques radioquímiques intervingueren activament en la caracterització dels fenòmens nuclears, com ara en la demostració que lespartícules alfa són nuclis d'heli. Uns anys després, el 1913,George de Hevesy (1885-1966) iFriedrich Paneth (1887-1951) empraren un radioisòtop natural delplom, el Pb-210, format a partir de la sèrie de transformacions que s'inicien en l'U-238, per determinar la solubilitat delsulfur de plom(II) i delcromat de plom(II), la qual cosa constituí la primera aplicació dels radioisòtops.[8]
El 1923 de Hevesy estudià el metabolisme de les plantes mitjançant el radionúclid plom 212 que l'usà com a traçador.[9] L'aplicació delstraçadors radioactius a altres branques de la biologia l'anà desenvolupant en els següents anys.[10] També dugué a terme estudis amb animals i publicà els resultats el 1948.[11][12]
El 1929, G. de Hevesy i R. Hobbie dissenyaren la tècnica analítica de ladilució isotòpica. Amb l'objectiu d'analitzar el contingut de plom en roques addicionaren plom radioactiu, Pb-210, i després separaren tot el plom i analitzaren la seva activitat radioactiva respecte de la massa total de plom; la disminució de l'activitat era deguda al fet que hi havia una part de plom no radioactiu, i d'aquí se'n podia determinar la seva quantitat.[13][14] Per les investigacions sobre l'ús d'isòtops com a indicadors en la investigació dels processos químics, de Hevesy fou guardonat amb elPremi Nobel de Química de 1943.
El 1930 els físics britànicsJohn Cockroft (1897-1967) iErnest Walton (1903-1995), sota la direcció de Rutherford, realitzaren les primeres reaccions nuclears emprant nuclis accelerats mitjançant uncamp elèctric. El 1932 el físic britànicJames Chadwick (1891-1974) descobrí el neutró.[15]Carl Friedrich von Weizsäcker (1912-2007) el 1935, seguint la proposta de Gamow d'interpretar el nucli com una gota de líquid, i incorporant la hipòtesi protó–neutró del nucli del físic alemanyWerner Heisenberg (1901-1976)[16][17][18] i del físic rusDmitri Ivanenko[19] i el treball del físic italiàEttore Majorana (1906-1938) sobre les forces nuclears, elaborà un model complet de nucli.[20][21]
El 1932Ernest Orlando Lawrence (1901-1958) iMilton Stanley Livingston (1905-1986) publicaren[22] el disseny del primer accelerador de partícules, elciclotró, que permetia incrementar l'energia cinètica de partícules de poca massa (inicialment protons i nuclis d'heli) per fer-les xocar després contra nuclis més massius de diferents elements químics i produir reaccions nuclears. D'aquesta manera es podien crear nous nuclis que no existien a la naturalesa. El ciclotró és l'accelerador de partícules més utilitzat en l'actualitat per a la producció de radionúclids. Per aquest treball Lawrence fou guardonat amb elPremi Nobel de Física del 1939.
El camp d'aplicació de la radioquímica s'estengué notablement a partir del 1934 quan es descobrí laradioactivitat artificial per part dels físics francesosIrène (1897-1956) iFrédéric Joliot-Curie (1900-1958). Ambdós foren guardonats amb el Premi Nobel de Química del 1935. El 1938 es realitzà el descobriment de la fissió nuclear per la físicaaustrohongaresaLeise Meitner (1878-1968) i els químics alemanysOtto Hahn (1879-1968) iFritz Strassmann (1902-1980). El 1939Niels Bohr (1885-1962) iJohn Archibald Wheeler (1911-2008) desenvoluparen el model de la gota de líquid per explicar lafissió nuclear descoberta només sis mesos abans.[23]
En el camp de labioquímica una de les primeres i més destacades aplicacions fou el descobriment delcicle de Calvin. El químic nord-americàMelvin Calvin (1911-1997) i els seus col·laboradors mantingueren, en una investigació entre 1949 i 1957, durant uns segons plantes en creixement en una atmosfera dediòxid de carboni marcat amb carboni 14. Després realitzaren l'extracció del màxim nombre de compostos de la planta suposant que aquells que tinguessin carboni 14 serien els primers productes que es produeixen a lafotosíntesi. Gràcies al fet que pogueren seguir la pista del carboni que provenia del diòxid de carboni pogueren establir un mecanisme per a la fotosíntesi on es combina el diòxid de carboni amb l'aigua i, mitjançant la llum solar, es produeixenglúcids, és l'anomenat cicle de Calvin.[28] Calvin fou guardonat amb elPremi Nobel de Química de 1961 gràcies a aquesta investigació.
↑1,01,11,2Loveland, Walter D.; Morrissey, David J.; Seaborg, Glenn Theodore.Modern nuclear chemistry. Second edition. Hoboken, New Jersey: Wiley, 2017.ISBN 978-0-470-90673-6.
↑INSTITUT D'ESTUDIS CATALANS; FUNDACIÓ ACADÈMIA DE CIÈNCIES MÈDIQUES I DE LA SALUT DE CATALUNYA I DE BALEARS; ENCICLOPÈDIA CATALANA; TERMCAT, CENTRE DE TERMINOLOGIA; CATALUNYA. DEPARTAMENT DE SALUT.Diccionari enciclopèdic de medicina (DEMCAT): Versió de treball [en línia]. Barcelona: TERMCAT, Centre de Terminologia, cop. 2015-2021 (Diccionaris en Línia) <{{format ref}} http://www.termcat.cat/ca/diccionaris-en-linia/183/>
