ENERGIA NUCLEAR

FUERZA NUCLEAREn el interior del núcleo existe una gran

cantidad de partículas de igual carga eléctrica, muy próxima entre sí, por lo que debe existir una gran repulsión entre ellas.

Además de esta repulsión, existen atracciones intensas de corto alcance capaces de vencer la repulsión entre protones, entre neutrones y entre protones y neutrones, y mantener unido el núcleo, esta fuerza es llamada interacción nuclear fuerte y existe solo en el núcleo atómico.

ENERGIA DE UNION NUCLEAREs la energía necesaria para romper un núcleo en

sus protones y neutrones; representa, además, la transformación de masa a energía que ocurre durante una reacción nuclear.

Se debe tener en cuenta que la masa de un núcleo es siempre menor a la suma de las masas de los protones y neutrones que hay en su interior. A esta diferencia de masa que se provoca, se conoce como defecto de masa.

La masa que falta se explica según la teoría de la relatividad, la cual indica que la pérdida de masa se manifiesta como la energía liberada en forma de calor al entorno, llamada energía nuclear. Siendo una reacción exotérmica.

La relación de equivalencia entre masa y energía que permite calcular la cantidad de energía liberada, se expresa :

∆E = (∆m) c2 ∆E = energía de los productos – energía de los reactantes∆m = masa de los productos – masa de los reactantesC = velocidad de la luz, que es igual a 3,00*108 m/s

SERIE RADIACTIVALos núcleos radiactivos, es decir, los

núcleos inestables que se encuentran fuera de la franja de estabilidad, sufren desintegraciones en etapas sucesivas. A este conjunto de etapas se le llama serie de desintegraciones radiactivas, que son secuencias de reacciones nucleares que culminan en la formación de un isótopo estable.

SERIE DE DESINTEGRACION DEL URANIO -238

En esta serie, el núcleo padre es el U – 238, el cual decae a través de 14 etapas hasta formar el núcleo hijo, Pb – 206. Como se puede observar en el gráfico, las flechas de color azul indican desintegración por emisión de partículas α y las flechas de color rojo desintegraciones de rayos β- . Las ecuaciones involucradas en el proceso de decaimiento del U-238 son:

ecuaciones

CINETICA DE DESINTEGRACIONES RADIACTIVASVIDA MEDIA ( t1/2 ) Este concepto se utiliza para referirse a la

velocidad con que ocurren las desintegraciones nucleares y se define como el tiempo que se necesita para que la concentración de un reactivo disminuya a la mitad de su concentración inicial.

Por ejemplo si se dejará una muestra de 226 g de radio – 226 en una mesa, luego de 1.600 años se encontrarán 113g y si incluso se dejaran pasar otros 1.600 años, se encontrarán 56,5g de la muestra original. Si se graficaran los datos de este ejemplo, después de 5 vidas medias se obtiene un gráfico como el siguiente:

Grafico de vida media del radio -226

VELOCIDAD DE DESINTEGRACION RADIACTIVAPara determinar el tiempo de vida media se debe

calcular la velocidad de desintegración radiactiva, esto quiere decir, la cantidad de átomos que se desintegran en un tiempo determinado.

Como todos los procesos de desintegración siguen cinéticas de primer orden ( una reacción de primer orden es aquella cuya velocidad depende de la concentración de uno de los reactivos elevada a la primera potencia), la ley de velocidad para el decaimiento radiactivo en un tiempo t será:

v = k N k = constante de velocidad de primer orden

N = número de núcleos radiactivos existentes en un

tiempo t

Así para una reacción de primer orden se establece que:

ln * N / N0 = -ktDonde:N0 = número de núcleos radiactivos

existentes al inicioSiendo la ecuación de vida media para la

reacción: t1/2 = 0,693/ k

El decaimiento radiactivo sigue una cinética de primer orden, siendo la ecuación ; ln * N/N0 = -ktComo no se tiene el valor de k , se calcula de

t1/2 = 0,693/ kEntonces : k = 0,693 / t1/2 k= 0,693 / 5,2 = 0,13 años-1 , reemplazando

en la ecuación:ln * N/1.000 = -0,13 años-1 * 15 años / eN/ 1.000g = e-1,95

N = 142,23 g

Ejemplo: La vida media del radioisótopo de cobalto – 60 , es de 5,2 años. Si en un hospital se tiene 1.000g de este radioisótopo, ¿qué masa del isótopo quedará después de 15 años?.

DATACION RADIACTIVALa datación radiactiva se utiliza para determinar la

edad de algunos objetos de interés. Algunas técnicas de datación son:

Datación con carbono radiactivoEl isótopo de C-14 se forma por el bombardeo de los

rayos cósmicos al nitrógeno atmosférico, según la ecuación:

14N7 + 1n0 → 14C6 + 1H1El 14C6 se encuentra en el aire como dióxido de

carbono radiactivo. Este gas es incorporado a la cadena trófica por las plantas, luego los animales se las comen y exhalan C-14 como dióxido de carbono.

Cuando el ser vivo muere no intercambia materia ni energía con el entorno, por lo que no se renueva C-14 y su concentración disminuye.

Así, el C-14 a través de las sucesivas desintegraciones se transforma en N -14 ,isótopo estable.

14C6 → 14N7 + 0e 0-1

La vida media del C-14 es de 5.730 años, por lo que, cuanto menor cantidad exista en un organismo u objeto, mayor será su antigüedad.

El mismo cambio que ocurre con el C -14 se observa en el carbón, petróleo y madera del subsuelo, y también en las momias.

Datación mediante isótopo de U -238Esta datación se utiliza para determinar la

antigüedad de las rocas. La vida media de la primera etapa de desintegración del uranio es de 4,51 *109 años, por lo que, en los minerales de uranio se deberían encontrar isótopos de Pb -206 formados de la desintegración radiactiva. Así la edad de las rocas se estima a partir de la relación entre las masas de los isótopos de Pb -206 y U -238

PRIMERA DESINTEGRACION DEL U -238Al transcurrir una vida media, la mitad del U -

238 se ha transformado en Pb – 206.El primer paso es determinante en la velocidad

de todo proceso.Al transcurrir una vida media, la mitad del U -

238 se ha transformado en Pb – 206. El primer paso es determinante en la velocidad de todo proceso

t ½

4,51*109 años

U - 238 U -

238Pb -206

TRANSMUTACION NUCLEAREs el cambio nuclear que experimenta un núcleo como

resultado del bombardeo con partículas sub atómicas como los neutrones. También se conoce como radiactividad inducida , ya que es posible producir radiactividad por medios artificiales.

En el núcleo actúan dos tipos de fuerzas, una que tiende a separa los protones, llamada fuerza de repulsión eléctrica y otra que mantiene unidos a protones y neutrones, la fuerza nuclear

Si se desea romper el núcleo de un átomo, se debe vencer la fuerza nuclear; en cambio, si se desea agregar protones o neutrones a este, se debe vencer la fuerza eléctrica. Ambos procesos son reacciones nucleares, por lo que liberan gran cantidad de energía.

A diferencia d e la desintegración radiactiva, la transmutación resulta d e la colisión de dos partículas. Así, en la transmutación participan cuatro partículas: en el núcleo objetivo, la partícula que bombardea, el núcleo producido y la partícula expulsada.

Acelerador de partículasLa transmutación es posible llevarla a cabo en equipos

llamados aceleradores de partículas , siendo un ejemplo de ellos el ciclotrón . En este se aumenta la energía cinética de las partículas forzándolas a seguir una trayectoria en espiral o lineal. Al alcanzar la energía necesaria, se conducen fuera del acelerador para que colisionen con la sustancia que se desea transformar, el blanco. Con el estudio de la transmutación y utilizando los aceleradores de partículas se han podido sintetizar elementos con nº > a 92, llamados elementos tranuránicos.

CICLOTRON

FISION NUCLEARProceso en el cual se divide un núcleo pesado 8( A

> 200 ) para formar núcleos más livianos y uno o más neutrones.

Los núcleos formados son más estables y tienen mayor energía de enlace, por lo que se libera gran cantidad de energía.

Una de las características más importantes de la fisión nuclear es que produce más neutrones que los capturados al inicio del proceso, por lo que se produce una reacción en cadena , es decir, una secuencias de reacciones nucleares de fisión. Sin embargo, para que ocurra una reacción en cadena, debe existir una mínima cantidad de núcleos fisionables, conocida como masa crítica.

FUSION NUCLEARProceso en el cual núcleos livianos se fusionan para

formar un núcleo más pesado y estable. En el proceso se libera gran cantidad de energía.

Las reacciones de fusión también son llamadas reacciones termonucleares , porque solo se llevan a cabo a temperaturas muy elevadas. Esta es la razón por la que el sol mantiene su temperatura.

El sol genera la mayor parte de su energía de la fusión de los núcleos de H y He, isótopos que lo componen , o de la combinación de estos. A través de las siguientes reacciones:

1H1 + 2H1 → 3He2 3He2 + 3He2 → 4He2 + 2 1H1

1H1 + 1H1 → 2H1 + 0e-1

FUSION NUCLEAR

APLICACIONES DE LA ENERGIA NUCLEARReacciones NuclearesUnas de las reacciones pacificas de la fisión

nuclear son los reactores nucleares, sistema construido para generar energía eléctrica aprovechando el calor desprendido de una reacción en cadena controlada.

Los reactores nucleares están formados por:Combustible, que es un material fisionable, como

mineral de uranio natural (0,79% de 235U92 ) o enriquecido (3 o 4% de 235U92 )

Moderador , que es un material que disminuye la velocidad de los neutrones producidos en la fisión. Puede ser agua para el U enriquecido agua pesada o grafito, para el U natural.

Reflector ,como agua o grafito, que disminuye la pérdida de neutrones provenientes de la zona del combustible, los que son necesarios para la reacción en cadena.

Barras de control , barras de Cd o B que regulan el flujo de neutrones.

Refrigerante, que extrae el calor generado por el combustible transfiriéndolo fuera del corazón del reactor. Este calor es transportado hacia un sistema donde se produce suficiente vapor de agua para hacer funcionar el generador eléctrico.

REACTORES DE INVESTIGACION

Utilizan los neutrones

producidos en la fisión nuclear para

generar radioisótopos o

para el estudio de diversos

materiales .

REACTORES DE POTENCIAQue usan el calor producido por la fisión para

generar energía eléctrica. Entre estos se encuentran los reactores de agua en ebullición y de agua a presión.

CENTRAL NUCLEARUna central nuclear esta formada por una o

más reactores nucleares conectados a un sistema de generación eléctrica.

REACTOR NUCLEAR DE FUSIONLa producción de energía a través del proceso de fusión

parece muy beneficiosa, ya que utiliza combustibles baratos e inagotables, se producen escasos residuos radiactivos y se generan enormes cantidades de energía. Sin embargo, para que este proceso se lleve a cabo, se necesitan temperaturas extremadamente altas, cercanas a 100 millones de grados Celsius, lo que técnicamente es imposible de lograr, ya que no existen los materiales ni moléculas que resistan estas temperaturas.

1950 dos científicos rusos crearon un posible reactor de fusión llamado Tokamak. Como a estas temperaturas todos los átomos quedarían despojados de sus electrones, se formaría un plasma, el cual solo se podría confinar mediante un campo magnético que ejerciera fuerza sobre él. Solo de esta manera el plasma no entraría en contacto con las paredes del recipiente del recipiente evitando que el sólido enfríe la muestra.

APLICACIONES BELICAS Bomba AtómicasLas aplicaciones más destructivas de la fisión

nuclear son las bombas atómicas.Una bomba atómica se forma con un explosivo

común como el TNT, el cual ,al estallar, obliga a que se unan las secciones de material fisionable y se forme una cantidad de masa crítica considerablemente mayor produciéndose la reacción en cadena.

La relación de masa y energía entre una bomba de TNT y una bomba atómica se puede ver en el siguiente ejemplo.

BOMBA DE TNT BOMBA ATOMICA PEQ.

20.000 TONELADAS 940 g

8*1013 J 8*1013 J

BOMBA ATOMICA AEs una bomba basada en la fisión nuclear,

la cual usa como combustible U, Pu o la mezcla de ellos. Generalmente se instalan en los misiles. Este tipo de bomba fue utilizada en la segunda guerra mundial, en Hiroshima el material fisionable era U-235 , y en Nagasaki , Pu – 239.

La bomba A lanzada sobre Hiroshima y Nagasaki tenía un poder destructivo equivalente a 12 kt equivalente a mil toneladas de TNT.

BOMBA ATOMICA A

BOMBA ATOMICA DE HTambién conocida como termonuclear ,

es un abomba basada en la fusión nuclear. Se compone de deuterio de litio.

Para que una bomba termonuclear detone debe producir primero una fisión nuclear que genere la temperatura necesaria para provocar la fusión. Esto solo se logra haciendo explotar previamente una bomba A.

BOMBA ATOMICA DE H

BOMBA DE NEUTRONESCaso modificado de la bomba de H . En esta se

reduce al máximo el proceso de fisión, obteniendo menor onda expansiva o pulso térmico, pero unas 7 veces más radiación ionizantes (rayos X y δ ) que una bomba A o de H, que liberan 50% de energía mecánica, 35% de radiación térmica y solo el 15% de radiación ionizante.

La bomba de neutrones tiene un corto período de radiación y bajo poder de destrucción en las construcciones; sin embargo, las emisiones encuentran dentro de edificios o automóviles.

La bomba de H y las de neutrones solo han sido utilizadas en pruebas experimentales.

BOMBA DE NEUTRONES

EFECTOS DE LA RADIACION La radiación natural constituye casi el 825 del total de la

radiación a la cual los seres vivos están expuestos, originándose la mayor parte del radón radiactivo que se encuentra en las rocas y en el suelo proveniente de isótopos radiactivos o rayos X producidos artificialmente. A la radiación recibida constantemente se conoce como radiación de fondo.

La radiación provoca excitación o ionización de la materia. Excitación , producida por la radiación no ionizante, es

decir, cuando los electrones que constituyen los átomos o moléculas se mueven en estados de mayor energía.

Ionización , producida por la radiación ionizante, es decir, cuando se saca un electrón de un átomo o molécula para formar un ión o un radical libre.

Par los seres vivos las radiaciones ionizante es más peligrosa, esto se debe a que tiene una mayor frecuencia y menor longitud de onda. Ejs: rayos gamma, los rayos X y la lux UV

EFECTOS DE LA RADIACION

DOSIS DE RADIACIONCientíficamente se ha establecido normas que

regulan la exposición a la radiación. Estas normas establecen las relaciones que existen entre la dosis y la duración de la exposición a la radiación, indicando los efectos biológicos que producen. Para medir la energía de una cantidad determinada de radiación se han establecido las siguientes unidades:

Unidades SI de dosis absorbidagray (Gy) esta unidad corresponde a la absorción de

1 J de energía por Kg de tejido.rad (radiation absorbida dose) unidad más utilizada

en medicina.Equivalencia entre 1Gy = 100 rad

UNIDADES PARA EXPRESAR EL DAÑO BILOGICO SIEVERT ( Sv) y rem se utilizan para expresar el daño

biológico en términos de las cantidades reales de radiación absorbida.

La equivalencia entre 1Sv = 100 rem La radiación de fondo recomendable en un año, para

una persona, no debe superar los 0,005 Sv, siendo la radiación recibida proveniente de fuentes naturales igual

a unos 0,003 Sv.DOSIS (Sv) EFECTO BIOLOGICO

0 – 0,25 No hay efecto inmediato

0,25 – 0,50 Disminución temporal de la cuenta de glóbulos

blancos.

0,50 – 1,0 Disminución importante de la cuenta de glóbulos

blancos.

1,0 - 2,0 Náuseas. Caída del cabello

2,0 – 5, 0 Hemorragias internas. Posible muerte

> 5,0 50% de probabilidad de muerte en el plazo de

30 díass.

ISOTOPOS RADIACTIVOSSon producidos en los reactores nucleares

de investigación. El comportamiento químico es idéntico aun

isótopo estable del mismo elemento, pero son detectados ubicando la radiación que emite. Estos isótopos son una herramienta muy útil, ya que se pueden utilizar como trazadores en reacciones químicas biológicas y no biológicas. Por ejemplo, en medicina, industria y agricultura.

TRAZADORES EN MEDICINA Son una herramienta fundamental para detectar y tratar

algunas enfermedades. Así por ejemplo, utilizando radiofármacos de vida media discreta, se pueden estudiar órganos y tejidos sin alterarlos. Una pequeña dosis de radiofármacos se da al paciente, ya sea por vía intravenosa o por vía oral, y a través de un dispositivo de detección se sigue el recorrido hasta que se concentra en un órgano o tejido. La radiación emitida por este permite crear una imagen del órgano la cual es reproducida para examinar.

Isótopo Radiactivo

Vida Media Área del Cuerpo Estudiada

Yodo – 131 8,1 días Tiroides

Hierro – 59 45,1 días Glóbulos Rojos

Fósforo – 32 14,3 días Ojos, hígado y tumores

Tecnecio – 99 6,0 horas Corazón ,huesos , Hígado y pulmones

Sodio - 23 14,8 horas Sistema Circualtorio

TRAZADORES EN LA INDUSTRIASe introducen en determinados procesos e

investigan las diversas partes que lo componen.

Ej.: para detectar fugas de gases o líquidos que son transportados a través de cañerías por diversos circuitos, como los conductores subterráneos de un oleoducto.

Para imágenes de piezas internas de diferentes estructuras, utilizando radiografías en base a rayos gamma, conocidas como gammagrafías, usadas para comprobar la calidad de soldaduras en piezas metálicas y cerámicas.

También se utilizan en medicina.

TRAZADORES EN LA AGRICULTURAPara llevar a cabo estudios sobre la efectividad

de determinados nutrientes para así poder utilizarlos adecuadamente en diversos cultivos.

Se logra introduciendo un isótopo como el P – 32, en un fertilizante para marcarlo, luego se incorpora el fertilizante en el suelo en tiempos y cultivos diferentes; así será posible determinar qué cantidad y en que época del año aplicar el fertilizante par obtener mayor productividad.

Con éste método es posible lograr cultivos más resistentes a las plagas o controlar altas plagas suministrando altas emisiones de radiación ionizante en la población de insectos machos, ya que así no dejan descendencia.

TRAZADORES EN LOS ESTUDIOS AMBIENTALESPara detectar y analizar diversos

contaminantes. Para realizar se irradia una muestra de agua o suelo obteniendo los espectros gamma que emite, para finalmente procesar la información.

Este método es utilizado para investigar los daños causados por derrames de petróleo, contaminación por dióxido de carbono, contaminación o liberación de gases a nivel del suelo.