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REVISTA ´ EL CLUB CUANTICO No 19, JUNIO 2017

Editores: Marco Corgini Videla - Ingrid Torres Castillo

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´Indice 1. EDITORIAL ´ 2. EXOSOMAS Y CANCER 3. BREVES SOBRE EL ARN Y EL ADN 4. ADN Y TRANSGENIA 5. ENERG´IA NUCLEAR I 5.1. Introducci´on 5.2. Fisi´on 5.3. Fusi´on

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1.

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EDITORIAL

En este n´ umero de RECC abordaremos temas de biolog´ıa, en este caso, asociados al estudio de procesos, como la angiog´enesis, vinculados al crecimiento y desarrollo de cierto tipo de tumores cancerosos, espec´ıficamente los melanomas. En este mismo contexto, nos introduciremos brebenente en los or´ıgenes, supuestos, del ARN y el ADN, bases de toda estructura fina de los seres vivos sobre la tierra y su rol en la transgenia. Finalmente, consideraremos un art´ıculo dedicado a la energ´ıa nuclear. Fisi´on y fusi´on, entendidas como procesos nucleares en donde el papel de los neutrones resulta esencial, ser´an brevemente tratadas.

Marco Corgini Videla

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2.

´ EXOSOMAS Y CANCER

Los estudios desarrollados a partir de los logros de los u ´ltimos a˜ nos en ingenier´ıa gen´etica, biolog´ıa molecular, etc., han conducido a una mejor comprensi´on de los procesos asociados al desarrollo de c´anceres y, eventualmente, generar t´ecnicas destinadas a atacar la enfermedad ´ en el futuro. Este es el caso de las investigaciones sobre el papel jugado por los denominados exosomas en la diseminaci´on de c´elulas tumorales [1-3].

Recordemos que un gen es un fragmento de ADN (´acido desoxirribonucl´eico) que codifica una prote´ına funcional que se sintetiza por medio de la intervenci´on de ARNm, ARNt, ARNr y que los exones de un gen son regiones de ´este que codifican alguna prote´ına y se encuentran separados por fragmentos que no cumplen dicha funci´on (intrones). Por u ´ltimo, los proto-oncogenes son aquellos genes que a trav´es de sus productos promueven el crecimiento de una c´elula.

Un espectro amplio de c´elulas eucariotas secretan ves´ıculas, denominadas exosomas, cuyo contenido son prote´ınas y mol´eculas de RNA. Si bien ´estos sirven en la comunicaci´on c´elula-c´elula, la modulaci´on fenot´ıpica celular, el mantenimiento de las funciones celulares, etc., parecen estar asociados tambi´en a la diseminaci´on de muchas enfermedades, incluso el c´ancer, a trav´es de diversos mecanismos (incluidos los virales) como, por ejemplo, la transmisi´on de informaci´on oncog´enica desde las c´elulas tumorales a c´elulas sanas (c´elulas objetivo) modificando sus fenotipos, tal como se˜ nalan estudios recientes [4] . Se supone que el mecanismo por el cual un tumor desarrolla su potencial metast´asico se explica primariamente por la adquisici´on de propiedades celulares

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aut´onomas (intr´ınsecas), que median la selecci´on y producci´on de un clon capaz de diseminaci´on vascular. En este contexto, la acumulaci´on de mutaciones som´aticas que afecta las propiedades gen´eticas y epigen´eticas de la c´elula subyace a la evoluci´on clonal.

Sin embargo, mecanismos extr´ınsecos tales como la fusi´on c´elulac´elula entre c´elulas tumorales y macr´ofagos de la m´edula espinal o la liberaci´on de exosomas desde c´elulas tumorales parecen jugar tambi´en un rol importante en el desarrollo de la met´astasis.

En este contexto, existe un n´ umero importante de se˜ nales que son exteriores a la c´elula y que son recibidas por ´esta en su superficie y transmitidas a trav´es del citoplasma hasta el n´ ucleo, lugar desde donde se regula el crecimiento celular y otras funciones imprescindibles para su homeostasis. En otras palabras, una mol´ecula que transmite una se˜ nal extracelular (mol´ecula de se˜ nalizaci´on) activa un receptor en la superficie de una c´elula y un segundo mecanismo la remite al interior de ´esta, en donde se generar´a una respuesta fisiol´ogica, la cual puede ser diversa para una misma se˜ nal. Este proceso se denomina “transducci´on de se˜ nal”.

Se ha estudiado, por ejemplo, el papel que juegan los exosomas derivados de melanomas en la formaci´on de tumores primarios y met´astasis tanto en ratones como en seres humanos, concluy´endose que incrementan el comportamiento metast´asico por medio de lo que los investigadores han denominado, sugerentemente, “educaci´on” de las c´elulas de la m´edula espinal (progenitoras hematopoy´eticas o generadoras de c´elulas sangu´ıneas), las cuales, entre sus acciones, incidir´an en la formaci´on de vasos sangu´ıneos (angiog´enesis), condici´on importante para el establecimiento de las neoplasias. Esto se materializa a trav´es de la transferencia de informaci´on oncog´enica. En este sentido,

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los exosomas cumplir´ıan una funci´on de facilitadores de condiciones para el crecimiento y desarrollo de tumores.

El proto-oncog´en MET, localizado en el denominado brazo largo del cromosoma 7 (7q31-34 para los especialistas), fundamental en este caso, codifica el receptor del factor de crecimiento del hepatocito (rHGF). Las alteraciones gen´eticas de este proto-oncog´en se producen especialmente entre los exones –comprendidos entre el 16 y el 19–, que codifican precisamente para el dominio de tirosina quinasa-enzimas (mol´eculas proteicas, catalizadoras de ciertas reacciones bioqu´ımicas, ubicadas en la membrana o superficie celular) encargadas de receptar los factores de crecimiento [1], producidas por un tipo de c´elulas y que cumplen, junto con las hormonas, una funci´on asociada al crecimiento celular.

Cuando el receptor se une a un factor espec´ıfico, se activa y env´ıa una se˜ nal, mediada por una “cascada de eventos”, destinada a producir una respuesta adecuada en la c´elula. En s´ıntesis, en condiciones normales, las prote´ınas tirosina quinasas generan una se˜ nal que es recibida y conducida a trav´es del citoplasma hasta el n´ ucleo por las llamadas prote´ınas quinasa citoplasm´aticas y prote´ınas quinasa nucleares, respectivamente. En ese lugar, se har´an efectivas las transcripciones g´enicas y de prote´ınas que controlan el ciclo celular. En el caso de la transformaci´on del proto-oncog´en en oncog´en, el receptor de factor de crecimiento se˜ nalado se altera, actuando a´ un en ausencia de est´ımulo externo, lo que inevitablemente generar´a una respuesta equivocada de la c´elula que desregular´a su desarrollo.

Por otro lado, se ha reportado que exosomas cargados con mRNAs (RNA mensajeros), microRNAs y prote´ınas angiog´enicas participan activamente en el desarrollo de enfermedades cerebrales malignas. En

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este caso, son las c´elulas de los gioblastomas (tipos de tumores cancerosos cerebrales altamente agresivos) las que secretan los exosomas que contribuyen a la proliferaci´on tumoral y la angiog´enesis [5]. Estas ves´ıculas son receptadas por c´elulas normales, tales como las c´elulas endoteliales microvasculares del cerebro.

Bibliograf´ıa [1] H. Peinado, M. Aleˇckovi´c, S. Lavotshkin, et al. Melanoma Exosomes Educate Bone Marrow Progenitor Cells Toward a Pro-Metastatic Phenotype Through MET. Nat Med. 2012; 18: 883-891.

[2] J. M. Pawelek, A.K. Chakraborty. Fusion of Tumour Cells with Bone Marrow-Derived Cells: A Unifying Explanation for Metastasis.

Nat Rev Cancer. 2008; 8: 377-386.

[3] R. Somasundaram, M. Herlyn. Melanoma Exosomes: Messengers of Metastasis. Nature Medicine 18, 853-854 (2012).

[4] Yi Lee, Samir, E.L. Andaloussi and Matthew J.A. Wood. Exosomes and Microvesicles: Extracellular Vesicles or Genetic Information Transfer and Gene Therapy. Human Molecular Genetics, 2012, Vol. 21, Review Issue 1 R125-R134, 2012.

[5] J. Skog J, T. Wurdinger, S. van Rijn, D H. Meijer, L.Gainche, M. Sena Esteves, W.T. Curry Jr, B.S. Carter, A.M. Krichevsky, X.O. Breakefield. Glioblastoma Microvesicles Transport RNA and Proteins.

Nat. Cell.Biol. 10 (12), 1470-1476, 2008.

[6] M. Corgini. Ciencia y realismo. M´as all´a del imnsoportable mito del observador. Ed. Universidad de La Serena,. 2015

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3.

BREVES SOBRE EL ARN Y EL ADN

Es probable que las mol´eculas org´anicas indispensables para el surgimiento de los bien conocidos ARN (´acido ribonucleico) y ADN (´acido desoxirribonucleico), formados de las cadenas de nucle´otidos que dan cuenta del material gen´etico de los organismos vivos, hayan sido sintetizadas originalmente en la atm´osfera y esparcidas en la superficie del mar a trav´es de la lluvia primitiva.

Tanto el ARN como el ADN constituyen parte esencial de la cadena a´cidos nucleicos-s´ıntesis de prote´ınas-creaci´on de ´acidos nucleicos.

En este sentido, la siguiente pregunta surge de inmediato: habr´an sido tales a´cidos los primeros o, por el contrario, las prote´ınas.

La respuesta la entreg´o la bioqu´ımica, luego de descubrirse que algunos tipos de ARN, adem´as de cumplir con su funci´on de reservorio o almac´en de material gen´etico, sirven de catalizadores de reacciones qu´ımicas destinadas a su autorreplicaci´on.

La aparici´on de mol´eculas con la capacidad de autorreplicarse, precursoras del actual DNA (3.8 billones de a˜ nos atr´as), de almacenar informaci´on gen´etica, copiarla y desarrollar actividad metab´olica b´asica, funciones que a diferencia de esta situaci´on inicial, actualmente cumplen diferentes tipos de mol´eculas (ADN, ARN, etc.) a las cuales se habr´ıa llegado a trav´es del proceso de selecci´on natural, constituye, en opini´on de muchos especialistas en el a´rea, el elemento clave en los or´ıgenes de la vida sobre el planeta.

En este sentido, es una hip´otesis importante aqu´ella respecto a que originariamente el ARN habr´ıa prevalecido sobre otras estructuras (ARN-autorreplicante).

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Un antecedente a favor de esta hip´otesis ser´ıa la similitud existente entre el nucle´otido adenina, presente en el ARN y el ATP (adenosintrifosfato), responsable a´ un de los procesos energ´eticos a nivel celular.

La diferencia estructural entre ambas mol´eculas consiste s´olo en la presencia en la segunda de dos fosfatos, situaci´on detectada tambi´en en f´osiles.

La diferenciaci´on entre las mol´eculas replicantes y el medio se habr´ıa visto favorecida con la aparici´on de membranas durante el desarrollo del proceso evolutivo. As´ı se constituyeron estructuras m´as complicadas, con ventajas evidentes respecto de las primeras mol´eculas replicantes desnudas, mejorando de paso sus procesos de metabolizaci´on respecto de sus antecesoras, constituy´endose de esta forma en los primeros organismos vivos, similares a las bacterias –c´elulas–.

Se supone que el RNA qued´o paulatinamente limitado al papel de mensajero, quedando otras funciones importantes –como los procesos metab´olicos de las emergentes c´elulas– en manos del ADN. De esta forma, aproximadamente dos billones de a˜ nos atr´as algunas c´elulas habr´ıan evolucionado, en desmedro de su existencia independiente, hacia formas cooperativas con aqu´ellas que resultaban de su replicaci´on y desarrollaron adem´as funciones especializadas, dando lugar a los primeros organismos multicelulares.

Un interesante rol juegan en este puzle nuestros conocidos “virus”.

La discusi´on respecto de si se trata de seres vivos o no depende mucho de la definici´on que se entregue del concepto vida. En cualquier caso, dotados de informaci´on gen´etica compuesta de ARN o ADN convenientemente protegida por una cubierta de prote´ına denominada “c´apside” y por una estructura membranosa que facilita su acci´on en

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el medio, evolucionan por selecci´on natural, reproduci´endose a trav´es de la creaci´on de copias de s´ı mismos.

Carentes de estructura celular, no son capaces de producir procesos metab´olicos propios, requiriendo invadir c´elulas (anfitrionas) para efectos de su replicaci´on. ´ Este es un antecedente m´as a favor de la capacidad de las mol´eculas org´anicas de organizarse y autorreplicarse de acuerdo a c´odigos de informaci´on b´asica, bajo determinadas condiciones.

Por otra parte, la evoluci´on ha dado cuenta del surgimiento y desaparici´on de m´ ultiples especies, en un experimento descomunal, donde el azar juega un papel nada despreciable.

Bibliograf´ıa [1] M. Corgini. Paseo Cu´antico. Por los senderos de Sha-i-Zinda. Ed. Universidad de La Serena, 2013.

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ADN Y TRANSGENIA

La plasticidad fenot´ıpica que manifiestan los organismos procariotas y muchos eucariotas, resultado de procesos que involucran intercambio y readecuaci´on de informaci´on g´enica, tanto end´ogenos como ex´ogenos, no s´olo como huella, sino en calidad de mecanismo vigente del proceso evolutivo, es un signo de la relevancia que en ´este ocupan las interacciones con el medio. Esto me induce a pensar que, quiz´as, los organismos vivos debieran ser considerados como sistemas f´ısicos abiertos, no s´olo del punto de vista termodin´amico, sino que principalmente en el sentido del intercambio de informaci´on permanente que expresan, capaz de producir modificaciones sustanciales en su biolog´ıa.

Este hecho no conduce a ninguna conclusi´on de tipo hol´ıstico, como suelen propugnar algunas posiciones abiertamente pseudocient´ıficas (por ejemplo, el “dise˜ no inteligente”), ni a la determinaci´on del rol que estos mecanismos juegan en la teor´ıa sint´etica de la evoluci´on, cuesti´on que corresponde evaluar a los especialistas, sino que debiera enriquecer el concepto que se tiene respecto de la auto organizaci´on de los seres vivos.

Dentro de los procesos ex´ogenos mencionados, se encuentran bien documentados, por ejemplo, la denominada “transferencia horizontal” de genes entre bacterias y la acci´on de estructuras estrictamente proteicas –llamadas priones– no relacionadas con a´cidos nucleicos.

En el primer caso, se consideran mecanismos como la transferencia directa de ADN desde el medio de material gen´etico (Transformaci´on); transferencia de ADN entre procariotas mediada por un bacteri´ofago, por ejemplo un virus (Transducci´on); y la transferencia de organismo

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a organismo (bacterias) a trav´es del contacto directo, por medio de pl´asmidos (Conjugaci´on Procariota).

Una muestra: El pool de genes extracromosomales est´a constantemente disponible para la poblaci´on de bacterias ambientales. Los genes pertenecientes a este pool se mantienen en pocas c´elulas dentro de la poblaci´on consumiendo de esta manera poca energ´ıa, y cuando se presenta un cambio o una presi´on selectiva que favorece alg´ un gen en particular ´este se extiende r´apidamente al resto de la poblaci´on [...] Uno de los ejemplos m´as dram´aticos es el r´apido aumento en la resistencia a antibi´oticos. No obstante, existen casos en los que la transferencia horizontal puede ser utilizada para nuestro beneficio como en los genes que codifican para la degradaci´on de compuestos xenobi´oticos [1].

En el segundo caso, los priones no son componentes estructurales o enzim´aticos de organismos vivos ni de virus, viroides u otros. A diferencia de ´estos u ´ltimos, no manifiestan sensibilidad frente a agentes inactivantes como calor, radiaciones, etc. Si bien son de composici´on proteica (no son a´cidos nucleicos): Los priones son prote´ınas infecciosas que se comportan como genes, esto es, prote´ınas que no s´olo contienen informaci´on gen´etica en su estructura terciaria, es decir en su conformaci´on, sino que tambi´en son capaces de transmitirla y replicarla en forma an´aloga a los genes pero por medio de mecanismos muy distintos [2].

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Respecto de los eucariotas y en particular los seres humanos, vale la pena se˜ nalar que dispersas en genomas humanos (tambi´en los hay en otros animales) hay una clase de estructuras gen´eticas denominadas retrovirus end´ogenos (RVEH), que constituyen cerca del 8 % de nuestro genoma y los cuales, desde la perspectiva de la evoluci´on, constituir´ıan remanentes de infecciones producidas por retrovirus ex´ogenos.

Estos retrovirus participan en innumerables procesos como la codificaci´on directa de prote´ınas, la regulaci´on gen´etica, la reparaci´on y recombinaci´on de DNA y la transducci´on viral, fundamental en el mecanismo de transferencia horizontal entre bacterias –ya mencionada– y la resistencia a retrovirus ex´ogenos [3].

Bibliograf´ıa [1] C. Rozo, J. Duzz´an. An´alisis de Transferencia Horizontal de Genes en Ensayos de Biorremediaci´on con Grasas Recalcitrantes. Rev. Colomb. Biotecnol. Vol. XII No. 1 Julio 2010, 22-31.

[2] V. Cacace. Biology of Prions http://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/ 1106/1106.533.pdf [3] Y. LLu, C. Soper. The Natural History of Retroviruses: Exogenization vs Endogenization. Answers Research Journal 2 (2009): 97-106.

[4] M. Corgini. Ciencia y realismo. M´as all´a del imnsoportable mito del observador. Ed. Universidad de La Serena,. 2015

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ENERG´IA NUCLEAR I

5.1. Introducci´ on. Durante los primeros d´ıas de agosto de 1945, el mundo fue estremecido con la noticia de la detonaci´on de dos bombas at´omicas en las ciudades japonesas de Hiroshima y Nagasaki, respectivamente. El poder aniquilador de estos artefactos de destrucci´on masiva redujo a cenizas ambas ciudades y, por supuesto, a decenas de miles de sus habitantes, la gran mayor´ıa civiles, instant´aneamente. Muchos de los que no fallecieron inmediatamente lo hicieron en el transcurso de los a˜ nos, por efecto de la radiaci´on que cubri´o el paisaje que les era cotidiano.

Estos fueron los hechos que anunciaron a la humanidad que se encontraba ad-portas de un nuevo per´ıodo de la historia, la llamada “era at´omica”.

El 15 de agosto de ese a˜ no, el entonces emperador japon´es anunci´o la rendici´on de Jap´on, poniendo fin definitivo a la segunda guerra mundial. ´ El estudio de la estructura del a´tomo tiene una larga historia. Esta considera la formulaci´on de modelos simples como los de John Dalton y de Joseph Thompson, descubridor del electr´on, cuya existencia hab´ıa sido previamente sugerida por el f´ısico irland´es G. Johnstone Stoney en el siglo XIX, a otros m´as complejos como los de Ernest Rutherford y Niels Bohr, acompa˜ nados de la predicci´on te´orica y posterior verificaci´on de la existencia del prot´on y el neutr´on. Estos u ´ltimos modelos fueron dise˜ nados a la par con el advenimiento y desarrollo de la relatividad y de la mec´anica cu´antica, cuya aplicaci´on a los estudios del

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micromundo a escalas at´omicas fue casi inmediata durante los a˜ nos veinte y treinta del siglo XX. Una infinidad de nombres de f´ısicos y qu´ımicos notables, te´oricos y principalmente experimentales, conforman la legi´on de investigadores que aportaron a la comprensi´on de la estructura at´omica.

5.2. Fisi´ on. Fueron las investigaciones realizadas por el f´ısico italiano Enrico Fermi durante los a˜ nos treinta las que condujeron a entender que la energ´ıa encerrada en el n´ ucleo de estas unidades b´asicas, y que dan sus caracter´ısticas propias a la materia de que estamos constituidos, era manipulable.

Fermi detect´o que, al dirigir haces de neutrones de baja energ´ıa a diferentes tipos de a´tomos, algunas de estas part´ıculas neutras eran absorbidas por sus n´ ucleos, dando lugar a la formaci´on de nuevos elementos radioactivos. De esta forma, el proceso de adici´on de neutrones a un n´ ucleo vuelve al elemento de que se trate inestable. La recuperaci´on de su estabilidad se produce a trav´es de un proceso f´ısico llamado “desintegraci´on beta” de neutrones, mecanismo consistentemente explicado por Fermi.

Hoy d´ıa sabemos que el decaimiento radiactivo es resultado de la interacci´on d´ebil (ver [3]) siendo las part´ıculas portadoras de la fuerza respectiva los bosones W y Z. Extra˜ namente, en el caso del uranio 235 este fen´omeno no se verificaba. Por el contrario, se produc´ıa un comportamiento an´omalo conocido hoy como “fisi´on nuclear”.

En la pr´actica, el n´ ucleo del uranio 235 (elemento pesado en la tabla peri´odica), al recibir los neutrones, se transforma en uranio 236, el cual por ser altamente inestable se parte o “fisiona” en dos n´ ucleos, de masa intermedia, de mayor estabilidad o, si se quiere, m´as ligeros,

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produciendo una gran emisi´on de energ´ıa y liberando neutrones que eventualmente interaccionar´an con otros n´ ucleos, conduciendo a una reacci´on en cadena. En honor a la verdad, debo aclarar que la palabra “partir” no es la m´as afortunada desde el punto de vista de la descripci´on exacta del fen´omeno f´ısico, pero sirve para dar una idea de ´este. La ralentizaci´on de los neutrones es una condici´on necesaria para que se produzca su absorci´on por los n´ ucleos. En caso contrario sencillamente pueden chocar con ´estos o no interaccionar con ellos. Para lograr este prop´osito se recurre a los llamados moderadores, entre los cuales se encuentran, el agua pesada y el grafito (de masas at´omicas bajas). La disminuci´on de la rapidez de los neutrones se debe a las colisiones el´asticas con el moderador, las cuales reducen su energ´ıa cin´etica. De esta forma, la vida media τ de un neutr´on en un reactor es de aproximadamente 0,001 segundos. Esto corresponde al tiempo de su desaceleraci´on y reacci´on con un n´ ucleo de uranio 235 [4].

As´ı, el proceso producido en los conocidos reactores nucleares, consistente, inicialmente, en disparar un neutr´on lento hacia un n´ ucleo de 235 este generando el is´otopo 92 U de modo que pueda ser captado por ´ inestable 236 92 U, puede ser descrito de la siguiente forma: neutr´on n´ ucleos m´as ligeros neutrones z}|{ z }| { z }| { 235 0 236 U + n → U −→ X + Y + (2 o 3)01 n +energ´ıa, 92 1 92 donde X, Y, son subproductos m´as livianos, por ejemplo X = 92 36 Kr, 0 Y = 141 en los u ´ltimos son 56 Ba. En este caso se producen 31 n. Si bi´ los m´as probables, no son los u ´nicos. Los neutrones obtenidos en esta etapa son denominados r´ apidos (velocidades del orden de 109 cm/seg, o energ´ıas sobre 1 MeV). Una vez producida la fisi´on, estos productos

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contin´ uan decayendo a elementos m´as estables, emitiendo m´as neutrones, denominados retardados (velocidades cercanas a los 105 cm/s, o energ´ıas de 0,02 eV), radiaci´on β − (genera electrones ultra r´apidos durante el proceso de decaimiento radiactivo ya mencionado. Las part´ıculas β + corresponden a positrones) y γ (electromagn´etica de alta energ´ıa y frecuencia, muy penetrante).

En la desintegraci´on β − un neutr´on decae en un prot´on, un electr´on y un antineutrino. Esquem´aticamente se tiene: 0 1n

−→ p+ + e− + νe− .

De esta forma, la fisi´on inducida por la absorci´on de neutrones puede producir la emisi´on de nuevas de estas part´ıculas reinici´ando el proceso y haci´endolo autosostenible.

El uranio 235 no es frecuente en la naturaleza (constituye aproximadamente el 0.7 % del uranio en su forma natural. El uranio 238 es mucho m´as abundante), de modo que material de mayor pureza (en uranio 235) es obtenido a trav´es de un procedimiento denominado enriquecimiento, consistente en aumentar el porcentaje de uranio 235 en las muestras obtenidas del elemento. Con este prop´osito, existen variados m´etodos destinados a separar sus diferentes is´otopos, entre ellos: 1.-la difusi´on t´ermica; 2.-la difusi´on gaseosa; 3.- el centrifugado;.4.- la separaci´on de is´otopos por t´ecnicas l´aser.

Por otro lado, para producir la referida reacci´on en cadena es necesario que exista una masa cr´ıtica de material fisionable (masa m´ınima).

El control de ´esta puede conducir a un uso racional de esta energ´ıa, a trav´es de su transformaci´on en otras, como la mec´anica o la el´ectrica, por medio del dise˜ no de centrales nucleares de fisi´on. Por sobre la

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masa cr´ıtica, la reacci´on en cadena se vuelve incontrolable, principio que conduce, junto con una alta pureza del material combustible, a la creaci´on de las armas nucleares de fisi´on. En el caso de la bomba at´omica, se mantienen separadas dos masas subcr´ıticas destinadas a colisionar a gran velocidad, con ayuda de un mecanismo de disparo, con objeto de superar la masa cr´ıtica y as´ı producir la reacci´on en cadena respectiva, generadora de la explosi´on que no es es familiar.

En el caso de las centrales nucleares, el proceso de reacci´on es lento (controlado) y la pureza del material fisionable es muy inferior (se eleva la presencia de uranio 235 del 0.7 % al 3 % o 4 %) a aquella necesaria para producir bombas at´omicas (cercana al 95 %).

El material fisionable en un reactor se encuentra en el denominado n´ ucleo, dispuesto, en muchos casos en una piscina de varios metros de profundidad. Tradicionalmente, cuenta con las llamadas barras de control constituidas por un material capaz de absorver neutrones (por ejemplo, cadmio y boro), regulando de esta manera su producci´on a voluntad, incluso hasta producir el apagado del reactor al ser insertadas en su totalidad dentro del n´ ucleo. Estas barras se encuentran sostenidas por un electromagneto dispuesto sobre el reactor. El material refrigerante (agua, agua pesada, helio, etc.), que a veces tambi´en act´ ua como moderador, pasa por el n´ ucleo y transfiere el calor producido por el combustible a una turbina que finalmente servir´a para transformar la energ´ıa nuclear (t´ermica) en energ´ıas utilizables por el ser humano (electricidad por ejemplo). El reactor est´a, en general, separado del medioambiente por estructuras de hormig´on reforzado con acero de alta densidad1.

1https://whatisnuclear.com/articles/nucreactor.html

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Existen varias generaciones de reactores nucleares de fisi´on y diferentes tipos, dependiendo del uso. Es as´ı como, buques los utilizan como fuente de energ´ıa. Para el lector interesado en conocer m´as acerca de este tema, la World Nuclear Association2, entrega informaci´on seria y actualizada acerca de este tema.

Pero ´este no es el u ´nico mecanismo de producci´on de altas cantidades de energ´ıa. El otro proceso conocido es el de la “fusi´on nuclear”. En ´este se libera una energ´ıa muy superior a la generada por la fisi´on.

5.3. Fusi´ on. La fusi´on consiste en la interacci´on de n´ ucleos ligerosis´otopos de hidr´ogeno-de tal manera que, superando la repulsi´on electromagn´etica existente entre ellos, sea posible formar un n´ ucleo m´as pesado y estable (helio). Existen tres is´otopos del primer elemento, el conocido hidr´ogeno (s´olo un prot´on), el deuterio (un neutr´on y un prot´on-abundante en la naturaleza) y el tritio (dos neutrones y un prot´on-produciido a partir del litio). El proceso de fusi´on queda descrito de la siguiente forma: deuterio tritio helio z}|{ z}|{ z}|{ 2 3 4 0 H + H −→ ıa (17,6 MeV), 1 1 2 He +1 n + energ´ donde el neutr´on liberado es altamente energ´etico. La energ´ıa liberada por gramo de combustible es aproximadamente 1.000 veces mayor que la obtenida por medio de la fisi´on de un gramo de uranio en su estado natural.

La fusi´on requiere que las fuerzas electrost´aticas que se produce al intentar unir los nucleos sean superadas, es decir, ´estos deben alcanzar, 2

http://www.world-nuclear.org/information-library/nuclear-fuel-cycle/ nuclear-power-reactors/nuclear-power-reactors.aspx

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para tales efectos, energ´ıas del orden de 10 KeV, lo que implica un enorme proceso de calentamiento.

El hecho de que sea factible producir reacciones en cadena, tal como en el caso de la fisi´on, condujo a desarrollar sobre este principio otro tipo de arma nuclear, la bomba de hidr´ogeno, m´as destructiva que la primera.

La primera bomba de fusi´on (de hidr´ogeno o termonuclear), a la cual se di´o el nombre Tsar, fue hecha detonar por la Uni´on Sovi´etica en 1953. Las armas de fusi´on se hacen detonar haciendo uso de una peque˜ na bomba de fisi´on que permite generar la alta energ´ıa necesaria para producir el proceso en cadena.

Desafortunadamente, y aunque la fusi´on no produce residuos radioactivos, resulta de muy dif´ıcil control y, por lo tanto, no ha sido posible todav´ıa construir centrales de este tipo. A pesar de esto, es posible que en el transcurso de los pr´oximos 20 a˜ nos se desarrollen t´ecnicas que permitan producir reactores de potencia de esta naturaleza.

En pr´oximos n´ umeros, ahondaremos en los procesos f´ısicos descritos en este n´ umero. sucintamente.

Bibliograf´ıa [1] Albert Reynolds, 1996, Bluebells and Nuclear Energy, Cogito Press [2] Anthony Nero jr, 1979, A Guidebook to Nuclear Energy, UC Press.

[3] M. Corgini. El Bos´on de Higgs en RECC No 9, p´ags. 9-11. 2014.

[4] F. A. Henglein. Chemical Technology. Pergamon Press, 1969 [5] Programa Radial El Club Cu´antico, No 89, 2017. Energ´ıa Nuclear I. Fisi´on y fusi´on nuclear. https://www.youtube.com/watch? v=XKNZMsyHfCE

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[6] Programa Radial El Club Cu´antico, No 90, 2017. Energ´ıa Nuclear II. Reactores nucleares. https://www.youtube.com/watch?v= 5gCN2DsexrY

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Figura 1. Ouρoβoρoς

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