Radiólisis

Se cree que la mayor concentración de hidroxilo presente en el agua irradiada en los circuitos internos de refrigeración de un reactor de agua ligera debe tenerse en cuenta al diseñar centrales nucleares, para evitar la pérdida de refrigerante resultante de la corrosión .

El interés actual en métodos no tradicionales para la generación de hidrógeno ha impulsado una revisión de la disociación radiolítica del agua, donde la interacción de diversos tipos de radiación ionizante (α, β y γ) con el agua produce hidrógeno molecular. Esta reevaluación se vio impulsada, además, por la disponibilidad actual de grandes cantidades de fuentes de radiación contenidas en el combustible descargado de los reactores nucleares . Este combustible gastado se almacena generalmente en piscinas de agua, a la espera de su disposición final o reprocesamiento . El rendimiento de hidrógeno resultante de la irradiación del agua con radiación β y γ es bajo (valores G = <1 molécula por cada 100 electronvoltios de energía absorbida), pero esto se debe en gran medida a la rápida reasociación de las especies que surgen durante la radiólisis inicial. Si hay impurezas presentes o si se crean condiciones físicas que impiden el establecimiento de un equilibrio químico, la producción neta de hidrógeno puede incrementarse considerablemente. ^{[ 3 ]}

Otro enfoque utiliza residuos radiactivos como fuente de energía para la regeneración del combustible gastado, mediante la conversión de borato de sodio en borohidruro de sodio , evitando así su reacción con otros productos. Aplicando la combinación adecuada de controles, se pueden producir compuestos de borohidruro estables que se utilizan como medio de almacenamiento de hidrógeno.

Un estudio realizado en 1976 estimó, aproximadamente, el orden de magnitud de la tasa promedio de producción de hidrógeno que se podría obtener utilizando la energía liberada por la desintegración radiactiva. Con base en un rendimiento de hidrógeno molecular primario de 0,45 moléculas/100 eV, sería posible obtener 10 toneladas por día. Si bien las tasas de producción de hidrógeno en este rango no son insignificantes, son pequeñas en comparación con el consumo diario promedio (1972) de hidrógeno en los EE. UU., que era de aproximadamente 2 ^{× 10⁴} toneladas . La adición de un donante de átomos de hidrógeno podría aumentar esta cantidad aproximadamente seis veces. Se demostró que la adición de un donante de átomos de hidrógeno, como el ácido fórmico, incrementa el valor G para el hidrógeno a aproximadamente 2,4 moléculas por cada 100 eV absorbidos. El mismo estudio concluyó que diseñar una instalación de este tipo probablemente sería demasiado inseguro para ser viable. ^{[ 4 ]} Estudios más recientes han sugerido que las reservas mundiales de combustible nuclear gastado de alrededor de 390 000 toneladas podrían utilizarse para producir alrededor del 60 % de la demanda mundial de hidrógeno (42,9 Mt) para 2024 mediante radiólisis de agua asistida fotocatalíticamente. ^{[ 5 ]}

La generación de gases por descomposición radiolítica de materiales que contienen hidrógeno ha sido motivo de preocupación durante años en el transporte y almacenamiento de materiales y residuos radiactivos. Se pueden generar gases potencialmente combustibles y corrosivos, al tiempo que se producen reacciones químicas con el hidrógeno elemental, las cuales pueden verse potenciadas por la presencia de radiación. El equilibrio entre estas reacciones competitivas aún no se conoce con precisión.

Cuando la radiación entra en el cuerpo, interactúa con los átomos y moléculas de las células (compuestas principalmente de agua) para producir radicales libres y moléculas capaces de difundirse lo suficiente como para alcanzar el objetivo crítico en la célula, el ADN , y dañarlo indirectamente mediante alguna reacción química. Este es el principal mecanismo de daño de los fotones, tal como se utilizan, por ejemplo, en la radioterapia de haz externo .

Por lo general, los eventos radiolíticos que conducen al daño del ADN de la célula (tumoral) se subdividen en diferentes etapas que tienen lugar en diferentes escalas de tiempo: ^{[ 6 ]}

• El escenario físico (${\displaystyle 10^{-15}~s}$), consiste en la deposición de energía por la partícula ionizante y la consiguiente ionización del agua.
• Durante la etapa fisicoquímica (${\displaystyle 10^{-15}~{\text{-}}~10^{-12}~s}$) ocurren numerosos procesos, por ejemplo, las moléculas de agua ionizadas pueden dividirse en un radical hidroxilo y una molécula de hidrógeno o los electrones libres pueden sufrir solvatación .
• Durante la etapa química (${\displaystyle 10^{-12}~{\text{-}}~10^{-6}~s}$), los primeros productos de la radiólisis reaccionan entre sí y con su entorno, produciendo así varias especies reactivas de oxígeno que son capaces de difundirse.
• Durante la etapa bioquímica (${\displaystyle 10^{-6}~s}$(en días) estas especies reactivas de oxígeno podrían romper los enlaces químicos del ADN, desencadenando así la respuesta de las enzimas, el sistema inmunitario, etc.
• Finalmente, durante la etapa biológica (que puede durar desde días hasta años), el daño químico puede traducirse en la muerte celular biológica o la formación de tumores cuando las células dañadas intentan dividirse.

Se ha sugerido ^{[ 7 ]} que en las primeras etapas del desarrollo de la Tierra, cuando su radiactividad era casi dos órdenes de magnitud mayor que en la actualidad, la radiólisis podría haber sido la principal fuente de oxígeno atmosférico, lo que aseguró las condiciones para el origen y desarrollo de la vida . El hidrógeno molecular y los oxidantes producidos por la radiólisis del agua también pueden proporcionar una fuente continua de energía a las comunidades microbianas subterráneas (Pedersen, 1999). Esta especulación está respaldada por un descubrimiento en la mina de oro de Mponeng en Sudáfrica , donde los investigadores encontraron una comunidad dominada por un nuevo filotipo de Desulfotomaculum , que se alimenta principalmente _de H₂ producido radiolíticamente . ^{[ 8 ] [ 9 ]}

La radiólisis pulsada es un método reciente para iniciar reacciones rápidas y estudiar reacciones que ocurren en una escala de tiempo inferior a aproximadamente cien microsegundos , cuando la simple mezcla de reactivos es demasiado lenta y es necesario utilizar otros métodos para iniciar las reacciones.

Esta técnica consiste en exponer una muestra de material a un haz de electrones altamente acelerados , generado por un acelerador lineal . Tiene numerosas aplicaciones. Fue desarrollada a finales de la década de 1950 y principios de la de 1960 por John Keene en Manchester y Jack W. Boag en Londres.

La fotólisis instantánea es una alternativa a la radiólisis pulsada que utiliza pulsos de luz de alta potencia (por ejemplo, de un láser de excímeros ) en lugar de haces de electrones para iniciar reacciones químicas. Normalmente se utiliza luz ultravioleta, que requiere menos protección contra la radiación que la necesaria para los rayos X emitidos en la radiólisis pulsada.