Tema9.2ºbachillerato.física

2,078 views

Published on

Published in: Education
0 Comments
0 Likes
Statistics
Notes
  • Be the first to comment

  • Be the first to like this

No Downloads
Views
Total views
2,078
On SlideShare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
3
Actions
Shares
0
Downloads
70
Comments
0
Likes
0
Embeds 0
No embeds

No notes for slide

Tema9.2ºbachillerato.física

  1. 1. Tema: Física Nuclear y de Partículas . El francés Henri Becquerel estaba trabajando en su laboratorio con sales de uranio y cerca de ellas, en uno de los cajones del armario; tenía un paquete con unas placas fotográficas nuevas convenientemente envueltas. Estas placas quedaron veladas y aunque no sabemos si el científico fue a reclamar a la tienda de suministros del laboratorio, es evidente que en lo primero que pensó, fue en un defecto de fabricación o en una manipulación inadecuada de las placas. Ahora bien, lo que le sacó de dudas fue la repetición del suceso con placas nuevas, puesto que tenía que existir algo en el laboratorio que provocara este efecto. Becquerel se afanó en buscar la causa de esas misteriosas “emanaciones” o “radiaciones” que impresionaban las placas fotográficas a pesar de hallarse cubiertas con un papel negro y separado por una lámina de vidrio. Por eso, imaginó que existirían unos rayos que atravesaban el envoltorio y alcanzaban las placas. Fue descartando posibles fuentes hasta descubrir que el origen de estas radiaciones eran las sales de uranio. Además, comprobó que los rayos podían descargar un electroscopio o ionizar el aire circundante. Desde ese instante, muchos de los físicos de la época se lanzaron al estudio de este fenómeno. Los pioneros y más destacados fueron el matrimonio Curie; los cuales, nada más tener noticia del descubrimiento de Becquerel, se dedicaron a tratar en su propia casa toneladas de pechblenda, mineral de uranio, con el fin de concentrar este elemento. En 1898 confirmaron que la radiactividad es un fenómeno asociado al núcleo atómico, independiente del estado físico de la sustancia o del tipo de compuesto que forme y descubrieron dos nuevos elementos, el polonio y el radio, por lo que recibieron conjuntamente el Premio Nobel de Física en 1903. Para muchos resultó sorprendente que una mujer recibiera tan alto galardón. El caso de María Sklodowska, nombre de soltera de madame Curie, era excepcional. Consiguió ahorrar para trasladarse desde su Varsovia natal hasta la universidad de la Sorbona en París, donde estudió Física. Cuando murió su marido, en un accidente en el año 1906, prosiguió ella sola las investigaciones y en 1911 volvió a recibir otro Premio Nobel, en esta ocasión de Química. Otros científicos realizaron también notables avances como el francés Debierne, que descubrió el actinio, otro elemento radiactivo. Rutherford y Soddy encontraron un gas desconocido, también radiactivo, que se formaba en la desintegración del radio y que fue denominado radón. Con ello se comprobó que las emisiones radiactivas provocan cambios en la naturaleza de los elementos. También llamó la atención su enorme capacidad para producir energía, pues el matrimonio Curie determinó que un gramo de radio generaba unas 100 calorías cada hora, manteniendo este ritmo de manera constante. Aparentemente, la muestra no se consumía, ya que después se supo que tendrían que pasar unos 1600 años para que ese gramo de radio redujera su peso a la mitad. Aquí reside el interés en el desarrollo de la energía nuclear. Es una fuente muy rentable y supone un gran reto para la tecnología del siglo XXI, ya que es necesario dominarla para ganar en seguridad y reducir el problema de la contaminación. Pues si bien la radiactividad es un hecho natural que no puede ocasionar riesgos, dado que los elementos radiactivos se encuentran diseminados por toda la Tierra, cuando los niveles de radiación se concentran en las instalaciones nucleares, en caso de algún escape o accidente, los peligros pueden ser mucho mayores. Con el descubrimiento del neutrón en 1932 por el físico inglés James Chadwick (1891-1974) la situación queda de la siguiente manera: el núcleo atómico está formado por protones y neutrones, partículas que pesan mas o menos lo mismo; los electrones se encuentran fuera del núcleo y prácticamente no contribuyen a la masa del sistema pero si al balance de cargas eléctricas para que el átomo sea neutro. El número de protones que existen en el núcleo, es igual al número de electrones que lo rodean. Este número es un entero, que se denomina número atómico y se designa por la letra, "Z". 1Tema : Física Nuclear y de Partículas Eric Calvo Lorente
  2. 2. La suma del número de protones y neutrones en el núcleo se denomina número másico del átomo y se designa por la letra, "A". El término nucleido se aplica a todos los átomos que poseen el mismo número atómico y el mismo número másico. Simbólicamente cada nucleido se representa por , donde X es el símbolo del elemento químico al que pertenece, y A y Z, son sus números másico y atómico, respectivamente. Una unidad de masa atómica, también denominada uma, o Dalton en honor del químico John Dalton, es la más pequeña unidad de masa usada para expresar masas atómicas y masas moleculares. Equivale a una doceava parte de la masa del núcleo del isótopo más abundante del carbono: el carbono-12. Se corresponde aproximadamente con la masa de un protón (o un átomo de hidrógeno). Se abrevia como uma, aunque también puede encontrarse por su acrónimo inglés: amu (Atomic Mass Unit). Las masas atómicas de los elementos químicos dadas en esta unidad suelen ser calculadas con la media ponderada de las masas de los distintos isótopos de cada elemento, lo que explica la aparente no correspondencia entre la masa atómica de un elemento y el número de nucleones que alberga su núcleo. Desde el año 2002 el valor aceptado de una uma (1 u) es el siguiente: 1 u = 1´66053886 · 10-27 kg Por lo tanto, 1 g ≈ 6´02214 · 1023 u Pronto se descubrió que existían átomos que poseían propiedades químicas idénticas pero que tenían diferente peso. Es decir, un átomo que era indistinguible químicamente del Hidrógeno pero pesaba el doble. Como ya se ha mencionado el parámetro fundamental que distingue a un elemento de otro no es su peso como pensaba Dalton, sino su número atómico. Por lo tanto se habían descubierto los isótopos: núclidos que tienen el mismo número atómico (y que por lo tanto corresponden al mismo elemento), pero diferente masa atómica; es decir, tienen distinto número de neutrones en el núcleo. El término isótopo proviene de las palabras griegas que significan "mismo lugar", todos los isótopos de un elemento ocupan el mismo lugar (casilla) en la Tabla Periódica de los Elementos, aunque pesen diferente; pues todos tienen las mismas propiedades químicas. Una consecuencia interesante del aumento de protones dentro de un núcleo es la variación de la estabilidad de éste. En efecto, la fuerza electrostática de repulsión aumenta al crecer el número de protones, por lo cual los núcleos con un mayor número de estas partículas se desintegraran más fácilmente, lo que se conoce como un elemento menos estable. No todos los isótopos de un elemento son igualmente estables, de ahí que su abundancia relativa en la naturaleza no sea pareja. Ejemplo: Otros términos menos utilizados relacionados con la estructura nuclear son los isótonos, que son átomos con el mismo número de neutrones, pero distinto de protones, y los isóbaros que son átomos que tienen el mismo número másico pero distinto numero atómico. Los núcleos han sido bombardeados, en experimentos realizados en los aceleradores con proyectiles como electrones, protones, etc., y con diferentes valores de energía. Los datos obtenidos nos dan información de la distribución de carga y masa (nucleones) en el interior del núcleo. Los experimentos son consistentes con una distribución uniforme (constante) de los nucleones en el interior del volumen nuclear, sin distinguir p y n, lo que corrobora el 2Tema : Física Nuclear y de Partículas Eric Calvo Lorente
  3. 3. efecto de saturación de las fuerzas nucleares comentado antes. Esta distribución puede expresarse por medio de la ecuación: . donde RA representa el radio del núcleo con A nucleones, y R0 es una constante de escala nuclear de valor 1.2 Fm. Como el volumen de una esfera es proporcional al cubo de su radio, la expresión anterior indica que el volumen nuclear es proporcional al número de nucleones acomodados en el núcleo, es decir, la densidad de materia nuclear no depende de A, es prácticamente constante como hemos de esperar debido a la saturación de la interacción nuclear. Como sabemos, entre cargas eléctricas del mismo signo existen fuerzas eléctricas de repulsión. Si esto es así, ¿cómo es posible que los protones permanezcan unidos en un volumen tan reducido como el que tiene el núcleo? Los protones y los neutrones se mantienen unidos en los núcleos debido a la acción de otro tipo de fuerzas distinto de las fuerzas eléctricas y de las fuerzas gravitatorias. Estas fuerzas, a las que llamaremos fuerzas nucleares, son de atracción, independientemente de la carga eléctrica, y mucho más intensas que las fuerzas eléctricas. Los protones y neutrones del núcleo se encuentran en un espacio muy reducido, a distancias muy cortas unos de otros. A estas distancias tan cortas es muy grande la repulsión electromagnética entre protones, que de acuerdo a la ley de Coulomb es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia y directamente proporcional a la magnitud de las cargas. La fuerza que vence a esta repulsión electromagnética y es capaz de mantener el núcleo unido es otra de las 4 interacciones fundamentales conocidas, la fuerza nuclear fuerte. Es una fuerza atractiva y muy intensa, por lo que domina a la repulsión culombiana de los protones, pero tiene un muy corto alcance, sólo del orden de poco más de un Fermi (de hecho se anulan cuando las distancias son superiores a unos pocos femtómetros. A partir de esta distancia predominarán las fuerzas eléctricas, que tenderán a separar a los protones). Las características de este tipo de fuerza son que es una fuerza saturada (cada partícula sólo es capaz de interaccionar con un pequeño número de otras partículas), dirigida (depende de la orientación de los espines) e independiente de la carga (la fuerza entre dos protones es igual que la existente entre dos neutrones o entre protón y neutrón). Pese a la interacción fuerte, un núcleo puede ser inestable y desintegrarse por radiactividad, e incluso fisionándose, rompiéndose en fragmentos. Núcleos pesados, como por ejemplo el del Uranio, son capaces de hacerlo naturalmente. Como bien conocemos, el proceso de fisión también puede darse por la acción de neutrones sobre núcleos de determinados elementos, lo que produce una gran liberación de energía, aprovechada en las centrales nucleares de fisión. 3Tema : Física Nuclear y de Partículas Eric Calvo Lorente
  4. 4. . 4Tema : Física Nuclear y de Partículas Eric Calvo Lorente
  5. 5. Un núcleo se considera estable si no se transmuta en 1021años, si bien puede transmutarse en otros núcleos bajo ciertas condiciones. Hay 115 elementos químicos conocidos, de los cuales, 92 existen en la naturaleza y el resto ha sido obtenido artificialmente. Se conocen hoy en día unos 2000 nucleidos, de los cuales son estables 274. Unos 340 existen en la Naturaleza y el resto se han producido en el laboratorio. Por tanto, la mayoría de los nucleidos son radiactivos. Los nucleidos radiactivos son inestables y se transforman espontáneamente con el tiempo formando otros nucleidos. La relación entre A y Z tiene que ver con la estabilidad de los núcleos de los elementos. En la medida que un átomo tiene un mayor número de protones, necesita cada vez más neutrones para que su núcleo sea estable. Si graficamos el número de protones contra el número de neutrones de los isótopos conocidos, se observa en la gráfica una banda en la que se encuentran los isótopos más estables para cada elemento. Esta gráfica, conocida como gráfica de Segré se presenta en la figura. La zona sombreada de la figura se conoce como banda de estabilidad. La energía de enlace nuclear o de ligadura es la energía necesaria para separar de un núcleo alguno de sus nucleones, o bien la energía que se libera cuando se unen los nucleones para formar un núcleo. El origen de esta energía reside en que la masa total de un núcleo en reposo es menor que la suma de las masas en reposo de sus nucleones constituyentes. Esta energía es, precisamente, la que sería necesaria para separar los nucleones del núcleo. El valor de esta energía de ligadura puede calcularse fácilmente a partir del defecto másico, recordando la relación masa-energía expresada por mediante la ecuación de Einstein ΔE Δm.c . De este modo: E NUCLEONES E NUCLEO E ENLACE E ENLACE E NUCLEONES E NUCLEO E ENLACE Z .m p .c 2 A Z .m n .c 2 m NUCLEO .c 2 Puesto que δm Z .m p A Z .m n m NUCLEO podremos decir que : E ENLACE δm . 2 Es la energía potencial nuclear contenida en cada nucleón de un átomo. Esta energía varía según el átomo. Este hecho es el que se conoce, normalmente, como defecto de masa y es el causante de que las reacciones de fisión y fusión liberen energía. Por poner un ejemplo, este curioso fenómeno hace que un neutrón y un protón aislados sumen más masa que los dos juntos formando un núcleo de deuterio. En la imagen adjunta se sitúa un gráfico en el que se pueden ver algunas de estas energías. Una manera aproximada de obtener esa energía potencial es calcular la energía en reposo de un núcleo atómico a partir de su masa atómica. Acto seguido se debe dividir esa energía entre el número de nucleones de ese núcleo. Entonces se debe restar ese valor de la energía en reposo del hidrógeno, unos 938MeV.. 5Tema : Física Nuclear y de Partículas Eric Calvo Lorente
  6. 6. La función de la figura tiene un máximo, el pico del hierro. El hierro es el elemento nuclearmente más estable de todos porque tanto para fusionarlo como para fisionarlo hay que invertir energía adicional. Los motivos que explican la forma de esta gráfica son los siguientes. Para átomos ligeros la fuerza nuclear fuerte es dominante pero esta fuerza solo actúa a muy corto alcance mientras que las fuerzas repulsivas electromagnéticas entre protones son de largo alcance y actúan siempre en todos los protones. En los núcleos más pesados, sin embargo, las distancias entre muchos de los nucleones son demasiado grandes y la cohesión por interacción fuerte ya no es tan intensa. Por otro lado las fuerzas electromagnéticas de repulsión son cada vez más fuertes ya que hay más protones y estas son de largo alcance. Así, a partir del hierro, la barrera de potencial eléctrico que hay que romper para añadir un protón más al núcleo supera al beneficio energético que da la interacción fuerte al juntarlo con el resto de los nucleones. Esto también explica la suave pendiente de la energía obtenida por la fisión ya que realmente viene dada por el exceso de potencial eléctrico por encima de la cohesión por interacción fuerte mientras que la energía de fusión es todo lo contrario, la energía la aporta la interacción fuerte que supera muy de largo a las fuerzas repulsivas sobre todo en los átomos más ligeros como el hidrógeno o el helio sin apenas cargas positivas. La asociación entre Rutherford y Soddy llevó, entre otros éxitos, a la teoría de la transformación de 1903, según la cual los átomos (en concreto los núcleos) de una sustancia radiactiva se desintegran espontáneamente, con emisión de partículas α ó β, y con formación de un nuevo átomo, químicamente diferente del original. Este nuevo átomo puede a su vez desintegrarse de forma similar al anterior, surgiendo así una serie radiactiva de átomos, que están todos relacionados genéticamente entre sí. De esta forma se puede establecer que la radiactividad es fundamentalmente un mecanismo por el que los núcleos inestables se transforman en otros más estables mediante la liberación de ciertas partículas. Entre 1906 y 1911, Soddy y otros físicos ponen de manifiesto que en algunos procesos de desintegración se originan ciertos cuerpos físicamente diferentes pero químicamente iguales entre sí (igual Z), introduciendo en 1911 Soddy el término de isótopo para estos componentes. Asimismo, como resultado de muchas experiencias, en 1913 se formulan las dos leyes del desplazamiento, cuyos enunciados actuales son: I. La emisión de una partícula a (núcleo de He) por parte de un núcleo origina un nuevo núcleo de un elemento con un número atómico inferior en dos unidades y un número másico inferior en cuatro unidades. II. La emisión de una partícula β (electrón) produce un nuevo núcleo con un número atómico superior en una unidad, pero en el proceso no varía el número másico (transformación isobárica). .Analicemos los distintos tipos de radiaciones: 6Tema : Física Nuclear y de Partículas Eric Calvo Lorente
  7. 7. Es un tipo de radiación poco penetrante que puede ser detenida por una simple hoja de papel. Rutherford sugirió que los rayos alfa son iones de átomos de Helio (He2+) moviéndose rápidamente, y en 1909 lo demostró experimentalmente. Este tipo de radiación la emiten núcleos de elementos pesados situados al final de la tabla periódica (A >100), con muchos protones y en los que la repulsión eléctrica es muy fuerte, por lo que tienden a obtener un N aproximadamente igual a Z, y para ello emiten una partícula alfa. En el proceso se desprende mucha energía que se convierte en la energía cinética de la partícula alfa, es decir que estas partículas salen con velocidades muy altas. En el proceso un núcleo cualquiera de número másico A y número atómico Z, se convierte en otro núcleo Y con número másico A-4 y nº atómico Z-2, y se emite una partícula alfa. (1ª Ley de Soddy-Fajans): A Z X A 4 Z 2 Y 4 2 He 2 Como ejemplo tendríamos las siguientes desintegraciones: 235 U 231 Th 4 He 2 2 226 Ra 222 Rn 4 He 2 2 210 Po 206 Pb 4 He 2 2 Las emisiones alfa son desviadas por campos eléctricos y magnéticos. Son poco penetrantes aunque muy ionizantes, y son muy energéticas. Por otro lado, si se considera el fenómeno como un proceso que cede al sistema un gran contenido de energía (en forma de energía cinética de la partícula alfa), es sencillo darse cuenta de que la masa (energía) del segundo miembro será inferior a la del primer miembro. El defecto de masa se corresponderá con la energía cinética de la partícula desprendida (alpha). Su poder de penetración es mayor que las alfa. Son frenadas por metros de aire, una lámina de aluminio o unos cm de agua. Existen tres tipos de radiación beta. 4.2.1 Radiación (beta menos) . Aparece para cualquier tipo de núcleo, pero es típica de núcleos con exceso de neutrones, es decir N>Z. Es un mecanismo usado por los núcleos para llegar a la línea de estabilidad (N aproximadamente igual Z) La radiación consiste en la emisión espontánea de electrones por parte de los núcleos, pero en el núcleo sólo hay protones y neutrones, ¿cómo puede emitir electrones? En 1934 Fermi explicó esta radiación suponiendo que en la desintegración beta menos, un neutrón se transforma en un protón, un electrón y un antineutrino mediante la reacción: 1 1 0 0 0n 1p 1e 0 e (2ª Ley de Soddy) 7Tema : Física Nuclear y de Partículas Eric Calvo Lorente
  8. 8. 0 , donde, 0 e es una partícula de antimateria, denominada antineutrino del electrón. La emisión beta menos da como resultado otro núcleo distinto con un protón más, la reacción sería: A Z X A Z 1 Y 0 1 e 0 0 e 4.2.2 Radiación (beta mas) . Mediante este mecanismo un núcleo emite espontáneamente positrones, e+, antipartículas del electrón de igual masa pero con carga eléctrica opuesta. Lo que ocurre es que un protón del núcleo se desintegra dando lugar a un neutrón, un positrón o partícula Beta+ y un neutrino. Así el núcleo se desprende de los protones que le sobran y se acercan a la línea de estabilidad N = Z. Por ello se da en núcleos con exceso de protones. La reacción sería: A Z X A Z 1 Y 0 1 e 0 0 e 0 , donde, 0 e es una partícula de antimateria, denominada neutrino del electrón, y 1 e es el antielectrón o positrón. 0 Algunos ejemplos son: 30 30 P Si e 40 40 K Ar e 53 53 Fe Mn e Este tipo de radiación es típica de núclidos con deficiencia de neutrones. 4.2.3 Captura electrónica orbital . Se da en núcleos con exceso de protones (deficiencia de neutrones). Los núcleos pueden captar un electrón de la corteza electrónica (de la capa K, menos energética), que se unirá a un protón del núcleo para dar un neutrón: 1 0 1 0 1p 1e 0n 0 A 0 A Z X 1e Z 1Y Como vemos, el núclido resultante es el mismo que el que resulta en la emisión , aunque en este caso no existe emisión de positrones, aunque sí una emisión de rayos X. En este tipo de radiación el núcleo no pierde su identidad. Mediante esta radiación el núcleo se desprende de la energía que le sobra para pasar a otro estado de energía más baja. Emite rayos gamma, o sea fotones muy energéticos. Este tipo de emisión acompaña a las radiaciones alfa y beta. Es una radiación muy penetrante, atraviesa el cuerpo humano y sólo se frena con planchas de plomo y muros gruesos de hormigón. Al ser tan penetrante y tan energética, de los tres tipos de radiación es la más peligrosa. Z X* A A ZX γ Se ha observado que todos los procesos radiactivos simples siguen una ley exponencial decreciente. Si N0 es el número de núcleos radiactivos en el instante inicial, después de un cierto tiempo t, el número de núcleos radiactivos presentes N se ha reducido a .t N N 0 .e ,donde λ es una característica de la sustancia radiactiva denominada constante de desintegración. La ley de desintegración puede deducirse del siguiente modo: si λ es la probabilidad de desintegración por unidad de tiempo, la probabilidad de que un núcleo se desintegre en un tiempo dt es λ ·dt. Si hay N núcleos presentes, en el tiempo dt podemos esperar que se desintegren (λdt)N núcleos, Por tanto, podemos escribir: dN ( .dt ).N 8Tema : Física Nuclear y de Partículas Eric Calvo Lorente
  9. 9. El signo menos aparece por que N disminuye con el tiempo a consecuencia de la desintegración. dN AC .N dt Integrando esta ecuación obtenemos la ley exponencial decreciente. N t dN .t .dt N N 0 .e N N0 0 N0 es el número inicial de núcleos radioactivos presentes en el instante t=0. La gráfica de la ecuación integrada resulta ser: Para cada sustancia radiactiva hay un intervalo 1 fijo, denominado período de 2 semidesintegración, durante el cual el número de núcleos que había al comienzo se reduce a la mitad. Poniendo en la ecuación N=N0/2 se obtiene: Ln 2 1 2 Por otro lado, resulta imposible determinar cuál será la vida de un determinado núcleo de la muestra. Se utiliza, no obstante, una magnitud, denominada vida media, que representa el valor promedio de vida de un núcleo cualquiera. Se simboliza por τ, y se halla relacionado con la constante de desintegración por medio de la ecuación: 1 τ λ En cualquier caso, si se tiene en cuenta la relación entre la masa de una muestra y el número de núcleos: m n m N m PM N .N AV PM N AV PM N n.N AV .t la ecuación N N 0 .e puede reescribirse como: 9Tema : Física Nuclear y de Partículas Eric Calvo Lorente
  10. 10. m m0 .t .t .N AV .N AV .e m m 0 .e PM PM En 1919, Rutherford publica el resultado de lo que se ha denominado la primera reacción nuclear artificial. Rutherford situó en una cámara cerrada con gas nitrógeno una muestra de polonio, que emite partículas α, y observó, mediante un contador de centelleo situado en la parte opuesta de la cámara, la existencia de partículas radiactivas. Dado que el alcance máximo de las partículas α es de 7 cm y la distancia de la fuente radiactiva al contador era de 40 cm, tuvo que admitir que la radiactividad no provenía de las partículas α emitidas por la fuente de polo- nio. El análisis del interior de la cámara reveló la existencia de protones y oxígeno, por lo que el proceso ocurrido se interpretó en la forma siguiente: 17 4 1 17 7N 2 He 1H 8O que constituye la expresión de una reacción nuclear, producida al bombardear un núcleo con un proyectil nuclear, que en la mayoría de los casos es un núcleo ligero como una partícula a. Del mismo modo que en el ejemplo, en cualquier reacción nuclear se produce un reagrupamiento de nucleones entre dos núcleos, lo cual necesita de una gran cantidad de energía para vencer la repulsión culombiana entre los núcleos, por lo que uno de los núcleos de la reacción debe ser un proyectil con una gran energía cinética inicial. En la reacción nuclear X x , y Y , la partícula incidente x , de masa m x , colisiona con el núcleo X , de masa M X . Después de esta colisión el núcleo residual Y tiene una masa M Y y la partícula emitida, y , una masa m y . La energía total inicial del sistema viene expresada por: Ei E c, x m x .c 2 E c, X M X .c 2 Asimismo, la energía total final del sistema: Ef E c, y m y .c 2 E c,Y M Y .c 2 Puesto que los elementos de una reacción nuclear forman un sistema aislado, el principio de conservación de la energía implica que Ei Ef , por lo que escribimos: E c, x m x .c2 E c, X M X .c2 E c, y m y .c2 E c,Y M Y .c2 ,o bien E c ,Y E c, y E c, X E c, x m x .c 2 M X .c 2 m y .c 2 M Y .c 2 E c, f E c ,i mi .c 2 m f .c 2 El primer miembro es la diferencia entre las energías cinéticas totales final e inicial y el segundo miembro la diferencia entre las masas totales en reposo inicial y final, escritas en forma de su equivalente energético. Esta ecuación expresa que, en una reacción nuclear, el incremento de energía cinética es igual a la disminución de la energía en reposo. El incremento de la energía cinética recibe el nombre de energía de desintegración o factor Q. Así pues, Q E c, f E c, i mi m f .c 2 Si Q es positivo, el sistema cede al entorno energía, y la reacción es exoenergética. Si Q es negativo el sistema recibe energía y la reacción es endoenergética. Cuando en una reacción nuclear Q > 0, la reacción ocurre para todos los valores de la energía cinética de la partícula incidente, incluso cero; pero si Q < 0, la partícula incidente debe tener como mínimo una cierta energía cinética para producir la reacción, llamada energía umbral, que es numéricamente igual al factor Q, y el exceso de energía sobre este valor aparece en forma de energía cinética de las partículas productos de la reacción. Entre los tipos más importantes de reacciones nucleares debemos citar: 10Tema : Física Nuclear y de Partículas Eric Calvo Lorente
  11. 11. Dispersión: En ellas la partícula emergente es de la misma naturaleza que el proyectil. Todo ocurre como si éste hubiese rebotado contra el blanco, aunque nadie podría asegurar que la partícula emergente sea la misma que incidió. Cuando la energía cinética total de los productos originales es igual a la de los productos finales de la reacción se dice que se trata de una dispersión elástica. Si, por el contrario, la energía cinética total de los productos de la reacción es menor que la inicial, diremos que es una dispersión inelástica. En este caso, la diferencia entre ambas energías es absorbida por el blanco, el cual queda excitado. Captura: En esta reacción la partícula incidente es absorbida por el blanco sin que se produzca ninguna partícula emergente, con la excepción de fotones gamma. Fisión: En este tipo de reacción, un núcleo pesado se rompe en, generalmente, dos fragmentos cuyos tamaños son del mismo orden de magnitud, lo que va acompañado de una emisión de neutrones y radiación gamma, con la liberación de una gran cantidad de energía. Aunque existen casos de fisión espontánea o de fisión por captura de un fotón, la reacción se produce normalmente por la captura de un neutrón. Fusión nuclear: Es una reacción entre dos núcleos de átomos ligeros en la que se produce un núcleo de un átomo más pesado, unido a la liberación de partículas elementales y de una gran cantidad de energía. La energía liberada en el Sol y en las estrellas proviene de reacciones de fusión nuclear. El experimento de Rutherford abrió un camino nuevo, el de la producción de reacciones nucleares artificiales. Así, en 1934, el matrimonio Frédéric Joliot (1900-1958) e Irène Curie (18971956), manipulando partículas a procedentes de una muestra de polonio, al hacerlas pasar a través de una lámina muy fina de aluminio, observaron que el aluminio se convierte en una especie radiactiva. En aquel momento se dieron cuenta de que la radiactividad no es un fenómeno confinado sólo a los elementos como el uranio o el polonio, sino que cualquier elemento puede ser radiactivo si se prepara el isótopo adecuado. El proceso que tiene lugar es el siguiente: 27 13 Al 4 2 He 1 30 0 n 15 P * (fósforo radiactivo ) Y a los pocos minutos tiene lugar la emisión de positrones según: 30 15 P * 30 14 Si 0 1e (radiactiv idad artificial ) 11Tema : Física Nuclear y de Partículas Eric Calvo Lorente
  12. 12. Cuando un núcleo se va desintegrando, emite radiación y da lugar a otro núcleo distinto también radiactivo, que emite nuevas radiaciones. El proceso continuará hasta que aparezca un núcleo estable, no radiactivo. Todos los núcleos que proceden del inicial (núcleo padre) forman una serie o cadena radiactiva. Se conocen cuatro series o familias radiactivas, tres de las cuales existen en la naturaleza ya que proceden de los radionúclidos primigenios. Se llaman radionúclidos primigenios a aquellos que sobreviven en la Tierra desde su formación. Esto se debe a que su semivida es comparable a la edad de la Tierra. Las tres series que existen en la naturaleza son la del Th-232, U-238 y Ac- 227, la otra serie radiactiva es laa del Np- 297, que debería haberse extinguido, pero las pruebas nucleares relizadas han liberado estos núcleos y por lo tanto ha vuelto aparecer esta cadena radiactiva. En cada serie todos los núcleos están relacionados, en la del Th-232, por ejemplo, todos los núcleos de la serie tienen números másicos iguales a 4n, siendo n un número entero cualquiera. En la tabla siguiente están las distintas series radiactivas. Series radiactivas NºMásico Cadena del Padre Semivida (años) Producto final 4n Torio Th-232 1.41 1010 Pb-208 4n+1 Neptunio Np-237 2.14 106 Pb-209 4n+2 Uranio-Radio U-238 4.51 109 Pb-206 4n+3 Uranio-Actinio U-235 7.18 108 Pb-208 El físico italiano Enrico Fermi (1901-1954) planteó en 1934 que sería factible producir elementos transuránicos por medio del bombardeo de uranio con neutrones. Al realizar tales experimentos, se descubrió que el producto emitía radiación beta (β). La pérdida de una partícula β corresponde a un aumento del número atómico en una unidad, lo que hizo que se creyera que el producto podía sufrir una sucesión de emisiones β y se generarían núcleos con números atómicos tan elevados como 96. Para buscar nuevos elementos químicos con número atómico superior a 92, grupos de investigadores se dedicaron a estudiar los productos obtenidos por bombardeo de uranio con neutrones. En 1938 en Alemania, los químicos Otto Hahn y Fritz Wilhelm Strassman aislaron un elemento químico que creyeron que era el radio (número atómico 88), pero después comprobaron que se trataba del elemento químico con número atómico 56, el bario. Por análisis químico descubrieron que los productos del bombardeo del uranio con neutrones no corresponden a elementos químicos de Z > 93. Consistía de radioisótopos de elementos químicos más livianos como el estroncio y el bario. La interpretación que se desarrolló entonces fue que el bombardeo del uranio con neutrones provocaba la fisión de algunos núclidos (suma del número de protones y neutrones contenidos en un núcleo) en dos 12Tema : Física Nuclear y de Partículas Eric Calvo Lorente
  13. 13. fragmentos nucleares más pequeños. Esto puso de manifiesto que el uranio al ser bombardeado con neutrones se fragmentaba, lo que parecía increíble para lo que se conocía del átomo, pero los nuevos procesos de desintegración fueron confirmados por medio de experimentos por científicos de casi todo el mundo. En 1939 se descubrió una reacción nuclear que liberaba mucha más energía por átomo que la radiactividad, y que tenía un potencial para ser usada tanto para producir explosiones como para generar energía. Se trataba del rompimiento del átomo y al proceso se le llama fisión nuclear. Tanto en la fisión nuclear como en la fusión nuclear se produce muchísima más energía por unidad de masa que en cualquier otra reacción química. En la fisión nuclear interviene el delicado equilibrio entre la atracción que ejercen las interacciones nucleares fuertes y la repulsión de las fuerzas eléctricas que actúan dentro del núcleo del átomo. En todos los núcleos de los átomos estables conocidos predominan las interacciones nucleares fuertes (el núcleo tiende a ser esférico), pero cuando las fuerzas eléctricas son ligeramente mayores se produce una deformación crítica (alargamiento del núcleo) y si las fuerzas eléctricas superan a las interacciones nucleares fuertes del punto crítico se rompe el núcleo. Este es el proceso de fisión nuclear. La absorción de un neutrón por el núcleo de uranio le suministra la energía suficiente para producir el proceso de fisión nuclear produciendo muchas combinaciones distintas de núcleos más pequeños. Un ejemplo típico es: 1 235 91 142 1 0 n 92 U 36 Kr 56 Ba 3.0 n Se puede observar que la fisión nuclear del uranio la inicia un solo neutrón y el proceso produce 3 neutrones. En casi todas las reacciones de fisión nuclear se producen de dos a tres neutrones, los que a su vez pueden causar la fisión de dos o tres núcleos más, con lo que se liberan de 4 a 9 neutrones adicionales, y así sucesivamente. Esto constituye una reacción en cadena. ¿Por qué no se producen las reacciones en cadena en los depósitos naturales de minerales de uranio? Esto ocurriría si todos los átomos de uranio se fusionaran, pero los átomos de uranio que se fisionan con facilidad son los del isótopo U-235 y éste sólo constituye el 0.7 % del uranio metálico puro. El isótopo predominante del uranio es el U-238 y al absorber los neutrones producidos en la fisión nuclear no se fisiona, lo que amortigua la reacción en cadena que llegue a iniciarse. Como el neutrón tiene que recorrer una distancia promedio a través del material de la muestra para que sea absorbido por un átomo de U-235, entonces si la muestra es pequeña es más probable que escape el neutrón a que sea absorbido por un átomo de U-235 para que ocurra la fisión nuclear. La masa crítica es la cantidad de muestra para la que cada fisión nuclear individual produce, en promedio, una fisión individual adicional. La masa subcrítica es aquella cantidad en la que la reacción en cadena se extingue. La masa supercrítica es aquella cantidad en la que la reacción en cadena crece hasta generar una explosión. Si se logra juntar la masa supercrítica se tiene una bomba de fisión nuclear. La dificultad para construir una bomba de fisión nuclear radica en la separación del U-235 (0.7 %) del mineral en el que el U-238 es el más abundante. Los isótopos de uranio-235 y de plutonio-239 se pueden fragmentar por neutrones de baja energía. Se estima que el 0.7 % de uranio natural es del isótopo de uranio-235. El isótopo de uranio más abundante es el de uranio-238 pero no produce reacción de fisión nuclear. 13Tema : Física Nuclear y de Partículas Eric Calvo Lorente
  14. 14. La energía que libera la fisión nuclear de un átomo de U-235 es de alrededor de 7 millones de veces la energía que libera la explosión de una molécula de trinitrotolueno (TNT). Esta energía se manifiesta principalmente como energía cinética de los fragmentos de la fisión y otra parte la reciben los neutrones expulsados y el resto es radiación gamma. Con el inicio de la Segunda Guerra Mundial, la fisión nuclear les interesó por la enorme cantidad de energía que se libera en este proceso. El físico norteamericano Julius Robert Oppenheimer dirigió a un grupo de científicos en Los Álamos, Nuevo México hasta conseguir la construcción de la bomba de fisión nuclear o bomba atómica. Hicieron explotar la primera bomba atómica en el desierto de Nuevo México el 16 de julio de 1945. El 6 de agosto de 1945 la usaron como arma de guerra al hacer explotar una bomba en Hiroshima, Japón (mataron a 70000 personas ) y el 9 de agosto otra sobre Nagasaki, Japón (mataron a 80000 personas). Durante la Segunda Guerra Mundial se estudiaron diferentes procesos de separación de los isótopos radiactivos y la técnica que más éxito tuvo fue la de efusión gaseosa, utilizando el hexafluoruro de uranio, UF6, que es volátil (tiene un punto de ebullición normal de 56 ºC) Varios isótopos de los elementos químicos pesados se fisionan por bombardeo con neutrones de alta energía. Los 2 isótopos que más se han estudiado son el uranio-235 y el plutonio-239. La fisión nuclear del uranio-235 se divide en dos fragmentos diferentes y libera neutrones y partículas. El proceso de fisión nuclear se complica por el hecho de que el 235U 92 se puede dividir de muchas formas diferentes, se han identificado más de 200 isótopos de 35 elementos químicos diferentes. Por ejemplo, el 235U se divide de 3 maneras: 1) en rubidio 92 (número atómico 37) y cesio (número atómico 55); 2) en bromo (número atómico 35) y lantano (número atómico 57) y 3) en zinc (número atómico 30) y samario (número atómico 62). 1 235 90 144 1 1) 0n 92 U 37 Rb 55 Cs 2. 0n 1 235 87 146 1 2) 0n 92 U 35 Br 57 La 3. 0n 1 235 72 160 1 3) 0n 92 U 30 Zn 62 Sm 4. 0n Como se puede observar, en la fisión nuclear se producen de 2 a 4 neutrones por cada átomo que se desintegra. Una vez que se dividen unos pocos átomos de uranio-235, los neutrones producidos pueden generar la fisión de muchos más átomos de uranio-235, lo que posibilita una reacción en cadena. Esto es lo que sucede en una bomba atómica. La energía liberada en las reacciones sucesivas de fisión aumenta progresivamente, en unos pocos segundos, lo que produce una tremenda explosión. Para que la fisión nuclear produzca la reacción en cadena se requiere que, la muestra sea lo suficientemente grande para que los neutrones que se producen sean capturados internamente por la propia muestra, llamada masa crítica. Si la muestra es muy pequeña, la mayor parte de los neutrones escapan y se rompe la cadena. La masa crítica del uranio-235 es de 1 a 10 kg. En la bomba de Hiroshima se consiguió la masa crítica usando un explosivo convencional para encender una pieza uranio-235 dentro de otra. Los productos inmediatos del proceso de fisión nuclear contienen demasiados neutrones para ser estables (depende del número de neutrones y protones). La desintegración del rubidio-90 requiere de tres etapas para alcanzar un núcleo estable, se desintegra en estroncio, itrio y zirconio, de acuerdo con las ecuaciones nucleares: 90 37 Rb 90 38 Sr 0 1e ( 1 2´8 min) 2 90 38 Sr 90 39 Y 0 1e ( 1 29 años) 2 90 39Y 90 40 Zr 0 1e ( 1 64 horas) 2 La radiación ocasional asociada con la radiación libre surge de la formación de isótopos radiactivos. Uno de los más peligrosos es el estroncio-90, que se incorpora a los huesos de los seres vivos como carbonato de estroncio (SrCO3). Desde 1959 se ha utilizado la energía liberada por núcleos atómicos para la producción de energía eléctrica y se han generado muchas opiniones encontradas con respecto a la 14Tema : Física Nuclear y de Partículas Eric Calvo Lorente
  15. 15. energía nuclear, pero no obstante hay muchas aplicaciones “no comprometidas” de la tecnología nuclear. La energía liberada en una fisión nuclear es directamente proporcional a la disminución de masa que se produce. Se producen alrededor de 80 000 000 kJ de energía por cada gramos de uranio-235 que se desintegra. Equivale a unas 40 veces más grande que la energía producida en una reacción nuclear simple. La fisión nuclear de 1 g de uranio-235 produce la misma cantidad de energía que la que produciría la combustión de 2700 kg. de carbón o la que produciría la explosión de 30 000 kg de trinitrotolueno (TNT). Un reactor nuclear es una instalación capaz de iniciar, mantener y controlar las reacciones de fisión en cadena, con los medios adecuados para extraer el calor generado. Un reactor nuclear consta de varios elementos, que tienen cada uno un papel importante en la generación del calor. Estos elementos son: El combustible, formado por un material fisionable, generalmente un compuesto de uranio, en el que tienen lugar las reacciones de fisión, y por tanto, es la fuente de generación del calor. El moderador, que hace disminuir la velocidad de los neutrones rápidos, llevándolos a neutrones lentos o térmicos. Este elemento no existe en los reactores denominados rápidos. Se emplean como materiales moderadores el agua, el grafito y el agua pesada. El refrigerante, que extrae el calor generado por el combustible del reactor. Generalmente se usan refrigerantes líquidos, como el agua ligera y el agua pesada, o gases como el anhídrido carbónico y el helio. El reflector, que permite reducir el escape de neutrones de la zona del combustible, y por tanto disponer de más neutrones para la reacción en cadena. Los materiales usados como reflectores son el agua, el grafito y el agua pesada. Los elementos de control, que actúan como absorbentes de neutrones, permiten controlar en todo momento la población de neutrones, y por tanto, la reactividad del reactor, haciendo que sea crítico durante su funcionamiento, y subcrítico durante las paradas. Los elementos de control tienen formas de barras, aunque también pueden encontrarse diluido en el refrigerante. El blindaje, que evita el escape de radiación gamma y de neutrones del reactor. Los materiales usados como blindaje son el hormigón, el agua y el plomo. 7.2.1 Combustible Nuclear . Se llama combustible nuclear cualquier material que contiene núcleos fisionables y puede emplearse en un reactor nuclear para que en él se desarrolle una reacción nuclear en cadena. Según esto el uranio es un combustible nuclear, como también lo es el óxido de uranio.En el primer caso nos referimos a un elemento químico, algunos de cuyos isótopos son fisionables; en el segundo, a un compuesto químico determinado que contiene tales isótopos. Entendemos por isótopos fisionables aquellos núcleos susceptibles de experimentar fisión. Para hablar con precisión, sería necesario especificar la energía de los neutrones que pueden hacer fisionar dichos isótopos; por ejemplo, el U-238 no es fisionable por los neutrones térmicos (baja velocidad), pero si por los rápidos, aunque con pequeña sección eficaz. Normalmente, y a no ser que se hagan mayores precisiones, suele entenderse por isótopo fisionable cualquier núcleo que fisiona por la acción de los neutrones térmicos. El único isótopo fisionable por neutrones térmicos que existe en la naturaleza es el U-235. Se encuentra en una proporción del 0711% en el uranio natural. Hay otros isótopos fisionables que no existen en la naturaleza pero que pueden obtenerse artificialmente. Los principales son: 15Tema : Física Nuclear y de Partículas Eric Calvo Lorente
  16. 16. El uranio-233, que se obtiene por captura de un neutrón por un núcleo de torio-232. El núcleo intermedio formado sufre dos desintegraciones beta, dando lugar al mencionado U-233. El plutonio-239: Aunque han podido detectarse trazas de él, se considera que no es un isótopo natural. Se forma en la captura de un neutrón por un núcleo de uranio-238, seguida de dos emisiones beta. El plutonio-241: Tiene menor importancia que los anteriores. Se forma por la captura de un neutrón por el Pu-240, el cual procede a su vez, de la captura de un neutrón por un núcleo de Pu-239. La obtención de los dos primeros isótopos, el U-233 y el Pu-239, se puede realizar en los propios reactores nucleares, si introducimos en los mismos núcleos de torio-232 y uranio-238, que son los átomos que por captura de un neutrón dan lugar a los isótopos fisionables. Este material se llama material fértil. 7.2.2 Elementos combustibles . Los elementos combustibles son los responsables de producir energía en los Reactores Nucleares, generando calor durante dicho proceso como cualquier otro tipo de combustible. Los Elementos Combustibles están formados normalmente, por: El material combustible: normalmente e Uranio y/o Plutonio combinado con oxígeno para formar un óxido o con otro material para formar una aleación. Las vainas: normalmente aleaciones metálicas (de Zirconio, Aluminio, etc) que encierran herméticamente al material combustible para evitar que se escapen los productos (la mayoría gases) formados durante las reacciones nucleares. Materiales estructurales: son también aleaciones metálicas (de Zirconio, Aluminio y/o aceros) que sirven para dar una estructura geométrica al conjunto permitiendo así que la remoción del calor generado sea extraído con facilidad por el líquido refrigerante (normalmente agua) que se mueve a través de ellos. 7.2.3 Ciclo del combustible nuclear . Se denomina ciclo del combustible nuclear al conjunto de operaciones necesarias para la fabricación del combustible destinado a las centrales nucleares, así como al tratamiento del combustible gastado producido por la operación de las mismas. En el caso del uranio, el ciclo cerrado incluye la minería, la producción de concentrados de uranio, el enriquecimiento (si procede), la fabricación de los elementos combustibles, su empleo en el reactor y la reelaboración de los elementos combustibles irradiados, para recuperar el uranio remanente y el plutonio producido, separando ambos de los residuos de alta actividad que hay que evacuar definitivamente. Si el combustible irradiado no se reelabora es considerado en su totalidad como residuo radiactivo, lo que se denomina ciclo abierto, con lo que no se completa el denominado ciclo del combustible nuclear. 7.2.4 Tipos de Reactores Nucleares . Los reactores nucleares se clasifican, de acuerdo con la velocidad de los neutrones que producen las reacciones de fisión, en reactores rápidos y reactores térmicos. A su vez, los reactores térmicos se clasifican, de acuerdo con el tipo de moderadores empleado, en: reactores de agua ligera, reactores de agua pesada y reactores de grafito. Con cada uno de estos reactores está asociado generalmente el tipo de combustible usado, así como el refrigerante empleado. Los reactores más empleados en las centrales nucleoeléctricas son: Reactor de agua a presión (PWR), que emplea agua ligera como moderador y refrigerante; óxido de uranio enriquecido como combustible. El refrigerante circula a una presión tal que el agua no alcanza la ebullición, y extrae el calor del reactor, que después lleva a un intercambiador de calor, donde se genera el vapor que alimenta a la turbina. Reactor de agua en ebullición (BWR), que emplea elementos similares al anterior, pero ahora el refrigerante, al trabajar a menor presión, alcanza la temperatura de ebullición al pasar por el núcleo del reactor, y parte del líquido se transforma en vapor, el cual una vez separado de aquél y reducido su 16Tema : Física Nuclear y de Partículas Eric Calvo Lorente
  17. 17. contenido de humedad, se conduce hacia la turbina sin necesidad de emplear el generador de vapor. Reactor de agua pesada (HWR), que emplea agua pesada como moderador. Existen versiones en las que el refrigerante es agua pesada a presión, o agua pesada en ebullición. Puede emplear uranio natural o ligeramente enriquecido como combustible. Reactor de grafito-gas. Este tipo de reactores usan grafito como moderador y CO2 como refrigerante. Mientras que los primeros reactores de este tipo emplearon uranio natural en forma metálica, los actuales denominados avanzados de gas (AGR) utilizan óxido de uranio enriquecido; y los denominados reactores de alta temperatura (HTGR), usan helio como refrigerante. Reactor de agua en ebullición (RBMK), moderado por grafito, desarrollado en la Unión Soviética, que consiste en un reactor moderado por grafito, con uranio enriquecido, y refrigerado por agua en ebullición. Este tipo de reactores no se han empleado en Europa occidental. Reactor Rápido.En este tipo de reactores no existe el elemento moderador para los neutrones y por tanto el flujo de neutrones cae en la zona de los neutrones rápidos. En estos reactores el combustible de la zona central, formado por un óxido de uranio o de uranio y plutonio, se rodea de una zona de óxido de uranio muy empobrecido, con un contenido de U-235 menor o igual al del uranio natural. Con esta disposición, y si se usa un refrigerante que no produzca la moderación de neutrones (normalmente se emplea sodio), se puede conseguir que en la capa de U-238 que rodea al combustible se genere más plutonio que el que se consume. De esta forma, al mismo tiempo que se está generando energía térmica, se está produciendo combustible en forma de Pu-239, que puede usarse en cualquier tipo de reactor, tanto rápido como térmico. A este tipo de reactores también se les conoce por reactores reproductores, y su importancia es enorme, ya que permiten obtener un mejor aprovechamiento de los recursos existentes de uranio. En este momento existen muy pocos países que tengan centrales nucleoéléctricas con este tipo de reactores. En primer lugar, Francia con el Superphenix de 1200 MW funcionando en Crys-Malville, es la mayor central existente. Le sigue la antigua Unión Soviética con un proyecto de varias centrales con reactores de 600 MW, y finalmente Japón con una central de 300 MW. 7.2.5 Funcionamiento de una central nuclear El esquema general de una central nuclear tipo, puede ser el siguiente: E n este esquema se observan las tres partes de una central nuclear tipo: Circuito Primario, (Edificio del Reactor) El circuito primario es estanco y está formado por la vasija del reactor que contiene el núcleo, el presionador y tres lazos. Cada uno incorpora un generador de vapor y una bomba principal. 17Tema : Física Nuclear y de Partículas Eric Calvo Lorente
  18. 18. El agua desmineralizada que circula por su interior toma el calor producido en el reactor por la fisión nuclear y lo transporta hasta el generador de vapor. En él, un segundo flujo de agua independiente del primero, absorbe el calor a través de su contacto exterior con las tuberías por las que circula el agua desmineralizada del circuito primario. Por fin, dicho fluido retorna a la vasija del reactor tras ser impulsado por las bombas principales. El reactor y su circuito de refrigeración están contenidos dentro de un recinto hermético y estanco, llamado "Contención" consistente en una estructura esférica de acero de 53 m de diámetro, construida mediante planchas de acero soldadas de 40 mm de espesor y que se soporta sobre una estructura de hormigón en forma de cáliz que se apoya sobre la losa de cimentación de 35 m de espesor. La Contención está ubicada en el interior de un segundo edificio, también de hormigón y cuyas paredes exteriores tienen un espesor de 60 cm, llamado edificio del Anillo del Reactor. Este tiene forma cilíndrica y está rematado por una cúpula semiesférica, que sirve de blindaje biológico. El funcionamiento del circuito primario se complementa con la presencia de una serie de sistemas auxiliares que aseguran el control de volumen, purificación y desgasificación del refrigerante. La salida al exterior tanto de la radiación como de productos radiactivos es imposible por tres barreras físicas, asegurando cada una de ellas, que la hipotética rotura de una barrera sea soportada por la siguiente. 1ª Barrera:Las vainas que albergan el combustible. 2ª Barrera:La propia vasija del reactor integrada en el circuito primario. 3ª Barrera:El recinto de contención, estructura esférica de acero recubierto de hormigón. Circuito Secundario, (Generación de electricidad). En el circuito secundario, el vapor producido en los generadores se conduce al foco frío o condensador, a través de la turbina que transforma la energía térmica (calor) en energía mecánica. La rotación de los álabes de la turbina acciona directamente el alternador de la central y produce energía eléctrica. El vapor de agua que sale de la turbina pasa a estado líquido en el condensador, retornando, mediante el concurso de las bombas de condensado, al generador de vapor para reiniciar el ciclo. Circuito de Refrigeración. Mediante un caudal de agua de 44.600 kg/s aportado por un tercer circuito semiabierto, denominado "Sistema de Circulación", se realiza la refrigeración del condensador. Este sistema consta de dos torres de refrigeración de tiro natural, un canal de recogida del agua y las correspondientes bombas de impulsión para la refrigeración del condensador y elevación del agua a las torres. El caudal de agua evaporado por la torre es restituido a partir de la toma de agua en un azud de un río próximo 7.2.6 Seguridad en una Central Nuclear . 18Tema : Física Nuclear y de Partículas Eric Calvo Lorente
  19. 19. Las salvaguardias técnicas deben mantener las siguientes funciones vitales deducidas del objetivo principal de la seguridad nuclear: o El control de la Reacción Nuclear o La refrigeración del Reactor. Junto con otras medidas pasivas e intrínsecas, los sistemas de seguridad responden ante la indisponibilidad y fallos de los sistemas principales, así como a los posibles transitorios de operación. En el "esquema simplificado" se indican los principales sistemas que salvaguardan la refrigeración del Reactor y una síntesis de su funcionamiento. Cerca de un centenar de sistemas prestan funciones de soporte a esta función y en su caso complementan el cumplimiento del objetivo de seguridad nuclear. Salvaguardia para mantener la refrigeración del Reactor ante el fallo del Circuito Primario El sistema asegura la refrigeración del Reactor Nuclear, en el supuesto de pérdida de la capacidad de refrigeración del Reactor por fallo o rotura del circuito Primario, y la evacuación del calor residual producido por los productos de fisión existentes en el núcleo del Reactor tras su parada. El sistema inyecta agua directamente en la Vasija a presión, que contiene el núcleo, de forma que asegura su refrigeración hasta que alcance un estado de parada segura (temperatura fría). El agua derramada del dañado circuito Primario es recogida en el sumidero del recinto de Contención y recirculada para volver a ser inyectada en la vasija, (circuito primario de emergencia). El circuito primario encargado de transmitir el Por diferencia de presión un depósito llamado calor generado en el núcleo del Reactor se acumulador descarga su contenido de agua puede romper instantáneamente, quedando el pesada a ambos lados de la vasija del Reactor, núcleo del reactor sin refrigerar. de forma que al iniciar su descarga las La fisión del combustible se detiene condiciones físicas son las previstas para una automáticamente. segunda acción. 19Tema : Física Nuclear y de Partículas Eric Calvo Lorente
  20. 20. Desde el tanque de inundación y a través de Por la rotura sigue fluyendo hacia fuera todo el sus bombas de impulsión se inyecta una agua del circuito, inundando el recinto estanco segunda masa de agua durante un tiempo llamado "Contención". Este agua una vez mucho mayor y que asegura unas condiciones refrigerada, asegurará, cuando el tanque del de presión y temperaturas normales. proceso 3 se haya vaciado, el proceso de refrigeración. Salvaguarda para mantener la refrigeración del circuito primario a través del Generador de Vapor Actúa ante la pérdida de la capacidad de refrigeración a través del circuito Secundario y cuando un suceso exterior a la Central cuestiona la refrigeración del Reactor. El sistema asegura que el generador de vapor mantiene su función de transferir el calor del sistema de refrigeración del reactor, durante el tiempo que transcurra desde la detención del Reactor hasta que alcance el estado de parada fría. El sistema actúa directamente sobre el generador de vapor inyectándole agua proveniente de los depósitos localizados en el llamado edificio de alimentación de emergencia. Cuatro grupos diesel acoplados a generadores eléctricos garantizan el abastecimiento. o La reacción de fusión nuclear requiere que dos núcleos se acerquen lo suficiente, para que la fuerza nuclear atractiva se haga sentir y los dos iones se fundan en uno solo con la consecuente ganancia de energía. Desgraciadamente, los núcleos tienen carga positiva y se repelen eléctricamente; esta repulsión actúa a distancias mucho mayores que el alcance de la interacción fuerte. Como la repulsión eléctrica es proporcional al producto de las cargas que 20Tema : Física Nuclear y de Partículas Eric Calvo Lorente
  21. 21. se repelen, el acercamiento es más fácil para los núcleos ligeros, pues llevan menos carga. A fin de conseguir la fusión nuclear debemos usar, entonces, el hidrógeno y sus isótopos. De todas formas, el rechazo entre las cargas significa una fuerte barrera que se opone a la fusión y que de una forma u otra debemos vencer. Veamos primero cuáles son las posibilidades de que se produzca la fusión en las condiciones habituales de temperatura y presión. Aunque los núcleos normalmente se hallan alejados uno del otro y apartados por la barrera de repulsión eléctrica, la mecánica cuántica permite penetrarla. En otros términos, en el mundo microscópico las barreras no son insalvables debido al principio de incertidumbre y a las propiedades ondulatorias de la materia. En una molécula diatómica de un gas a la temperatura ambiente, por ejemplo, la distancia media entre los dos núcleos es del orden de 10-8 cm. Sin embargo, la posición no se puede conocer con precisión absoluta, pues entonces el ímpetu (y con él la velocidad) de los núcleos estaría totalmente indeterminado. Por lo tanto, la probabilidad de que los dos núcleos se encuentren en el mismo sitio y que choquen, no es nula desde un punto de vista cuántico. Sin embargo, este proceso de fusión, que bien podríamos catalogar como "fría", es muy poco probable. Así, las estimaciones más optimistas predicen que para que ocurriera un solo proceso de fusión en un litro de gas de hidrógeno a presión atmosférica y temperatura ambiente (del orden de 20°C), habría que esperar un tiempo ¡mucho mayor que el transcurrido desde el origen del Universo! Entonces, ¿qué hacer para acelerar el proceso? Conceptualmente, la manera más simple de inducir la fusión es producir, por algún método, núcleos con una energía cinética superior a la energía de repulsión eléctrica, para que así se acerquen mucho unos a otros. Una posibilidad es utilizar aceleradores de partículas, aparatos que con inmensos campos eléctricos y magnéticos pueden lograr que las partículas alcancen altas velocidades. Con estos aparatos se ha podido estudiar no sólo el proceso de fusión sino la estructura interna misma de los núcleos. Sin embargo para producir energía mediante la fusión nuclear; el uso de los aceleradores resulta inoperante, pues para acelerar cada núcleo necesitamos invertir mucho más energía de la que se obtiene de la fusión. Debemos, pues, buscar otros caminos. Como ya hemos visto, la reacción de fusión es más probable mientras menor sea la carga de los núcleos que se unen, pues entonces la barrera repulsiva es más pequeña. En consecuencia, recurrimos al hidrógeno y entre los isótopos de éste al deuterio o al tritio, cuyas fusiones son muy favorables energéticamente. En la Tabla 2 se ve que Q es positiva, o sea que los productos finales de las reacciones posibles de fusión emergen con energías mayores de las que se impartieron a los núcleos iniciales. En la Tabla 2 además del valor Q para cada reacción se da, en la tercera columna, la probabilidad relativa con la que puede ocurrir cada uno de los procesos. Así, las reacciones entre deuterones que producen ya sea 3He más neutrones o tritio más protones se presentan con la misma frecuencia, pero aquella reacción entre dos núcleos de deuterio que produce 4He y rayos gamma es diez millones de veces menos probable que las dos reacciones anteriores. Por otro lado, las que hemos marcado en la tercera columna como secundarias, también son poco probables, pues es necesario que alguna otra reacción haya tenido lugar antes. En particular; las que incluyen deuterio y tritio, obviamente requieren que este último ya se haya generado. 21Tema : Física Nuclear y de Partículas Eric Calvo Lorente
  22. 22. El uso del deuterio presenta varias ventajas adicionales. La primera, que es muy abundante como energético, pues puede extraerse del agua de mar con tecnologías que dominamos bien. El tritio, por su parte, es más escaso, aunque es un subproducto de las reacciones de fusión. El riesgo radiológico del tritio es pequeño si se le compara con el que implican los residuos de los productos de la fisión, hoy empleada en los reactores nucleares. Por un lado, la vida media del tritio es de 12.2 años y por tanto mucho más corta que la de los productos de fisión, que es de miles de años. Por otro lado, el tritio al decaer emite un electrón con energías pequeñas, comparables a las producidas en un televisor a color; por lo que su penetración en el aire es apenas de unos cuantos centímetros. Sin embargo, el principal riesgo asociado al tritio es que lo inhalamos, pues reemplaza al hidrógeno del agua que hay en el organismo y causa irradiación interna. La fusión nuclear es una fuente alterna de energía con grandes posibilidades y muchas ventajas sobre otros métodos, incluida la discutida fisión nuclear. Pero en la práctica las cosas no resultan tan simples. Fabricar un reactor de fusión nuclear controlada ha sido el objetivo de muchos años de investigación científica y tecnológica y ha requerido de inversiones astronómicas. Aun así, sigue siendo una gran ilusión. Algunos problemas se han resuelto ya, pero muchos restan aún. En el capítulo próximo discutiremos esos problemas para poner en perspectiva la gran importancia que tendría para la humanidad hallar mecanismos alternativos, más baratos y seguros, de producir la fusión nuclear. Residuos Nucleares: http://www.nodo50.org/panc/Res.htm Chernobyl: http://www.din.upm.es/trabajos/cherno/chernobil.html Consecuencias bombas atómicas: http://www.portalplanetasedna.com.ar/bomba_nuclear.htm Consecuencias sobre los seres vivos: http://omega.ilce.edu.mx:3000/sites/ciencia/volumen1/ciencia2/08/htm/sec_12.html http://es.wikipedia.org/wiki/Radiobiolog%C3%ADa Reactores de Fusión: http://es.wikipedia.org/wiki/Reactor_nuclear http://news.bbc.co.uk/hi/spanish/science/newsid_4631000/4631149.stm 22Tema : Física Nuclear y de Partículas Eric Calvo Lorente
  23. 23. Aplicaciones en la Vida Cotidiana Comencemos con lo relativo a la agricultura y la alimentación. Son muchas las aplicaciones en este campo por lo que he de referirme solamente a las más destacadas, Como un primer capítulo, mostraré a través de un par de ejemplos cómo puede la tecnología nuclear beneficiar a los cultivos. Primer ejemplo: Los procesos biológicos de las plantas se estudian, entre otras razones, con la intención de optimizar las técnicas de manejo de los cultivos, Gracias a su radioactividad, se puede seguir la evolución del Carbono 14 en los sarmientos y de esa manera sacar conclusiones sobre podas y otras labores tendientes a lograr una mayor acumulación de azúcar en las uvas. Segundo ejemplo: Con el auxilio de especies radiactivas en los fertilizantes, como el Fósforo 32, se puede sacar importantes conclusiones con respecto a métodos, oportunidad y tipo de fertilizantes a ser utilizados Se trata de reducir al mínimo el uso de fertilizantes para bajar los costos de producción y reducir los daños que provocan al medio ambiente, Un segundo capítulo dentro del tema agricultura y alimentación lo constituye el uso de las mutaciones genéticas para el desarrollo de variedades de cultivos agrícolas y hortícolas de alto rendimiento. Los rayos x, los rayos gamma y los neutrones rápidos son los mutágenos físicos que se usan con mayor frecuencia para irradiar las especies que se desea mejorar genéticamente. Algunos de los logros que se puede alcanzar con esta técnica son los que comento a continuación. Para aumentar la resistencia al encamado se intenta disminuir la altura de la planta de arroz y dar mayor dureza a su tallo para que pueda resistir la lluvia y las tormentas, Como ejemplo podemos citar un mutante de arroz en china que consiguió tener una caña 20 cm. más corta que la de su progenitor. Otro objetivo buscado es mejorar las características de los granos como, por ejemplo, aumentar el valor nutritivo (contenido de proteínas o aceites), aumentar la facilidad de cocción y disolución o reducir el tiempo de cocción. Como ejemplo se puede mencionar un mutante de arroz en china que consiguió aumentar el contenido de proteínas a más del 15%. También puede intentarse mejorar los caracteres agronómicos de la planta, como ser, resistencia al frío del invierno, aumento de la tolerancia al calor o una mejor adaptación a las condiciones de los suelos, El rendimiento de muchas variedades de cultivos se ha multiplicado después de mutaciones inducidas con radiaciones. Para citar un ejemplo: Pakistán logró duplicar su producción de algodón usando esta técnica. Una maduración temprana es importante para eludir las heladas y plagas, o simplemente para dar cabida en el terrero a otros cultivos. Un ejemplo de estos logros lo constituye una variedad de arroz en China que madura 24 días antes que su progenitora. Aumentar la resistencia a las enfermedades tiene gran importancia en los esfuerzos para reducir la utilización de productos químicos contra las plagas, que tanto dañan el medio ambiente. Como ejemplos puedo citar: una variedad de arroz de Hungría y una variedad de menta de EE.UU. que resultaron resistentes a ciertos hongos que perjudicaban seriamente la producción. Otro capítulo importante es el de la producción pecuaria. Puedo mencionar tres contribuciones de las técnicas nucleares en este campo: -primera contribución: aumentar el peso del cuerpo y el rendimiento lechero del ganado gracias al mejoramiento de los piensos. Mencionaré un ejemplo: en Indonesia los pastos son de muy baja calidad. Con técnicas nucleares se estudió la eficiencia con que los búfalos digerían esos pastos y se desarrolló, para sustituirlos, un bloque multinutritivo que los búfalos lamen. Se logró un aumento de 3 Kg. por semana en el ritmo de engorde usando la sexta parte del pasto que antes. -Segunda contribución: mejorar la reproducción del ganado. A través de la medición de las hormonas que controlan la actividad de los ovarios (en particular la progesterona) se determina con exactitud si las hembras se encuentran en la fase adecuada de su ciclo reproductivo para ser fecundadas. Con auxilio de esta técnica se pudo preservar las alpacas y las vicuñas en los países andinos, -Tercera contribución: eliminar enfermedades mediante la producción de vacunas usando irradiación con rayos x o rayos gamma para atenuar los virus, Por ejemplo, en el Reino Unido la bronquitis parasitaria de temeros y corderos fue combatida con éxito mediante vacunas radioatenuadas, lográndose un ahorno de 40 millones de dólares anuales. 23Tema : Física Nuclear y de Partículas Eric Calvo Lorente

×