Energía Nuclear I

ENERGÍA NUCLEARPor Fco. Villafranca Gracia. IES Barañáin (Navarra)

Energía Nuclear. Sumario

PARTE I. INTRODUCCIÓN A LA ENERGÍA NUCLEAR Introducción. Definición Conceptos básicos de Física Nuclear

Constitución del átomo Reacciones químicas y nucleares Defecto de masa. Fórmula de reacción nuclear Reacciones nucleares espontáneas. Radiactividad natural Trasmutaciones atómicas artificiales. Radiactividad artificial Energía en las reacciones nucleares Tipos de reacciones nucleares. Energía nuclear Estabilidad nuclear. Energía de enlace Reacciones nucleares de interés energético: fisión y fusión nuclear Materia fisionable Bombas nucleares. Bomba atómica. Bomba de hidrógeno Aplicaciones de la energía nuclear (en apuntes) Unidades y dosis de reacciones (en apuntes)

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Energía Nuclear. Sumario

PARTE II. CENTRALES NUCLEARES (en apuntes) Reactor nuclear Combustible nuclear Tipos de reactores nucleares Reactor rápido Funcionamiento de una central nuclear Seguridad en una central nuclear La energía nuclear en España

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Energía Nuclear Parte I

INTRODUCCIÓN A LA ENERGÍA NUCLEAR

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Energía Nuclear. Introducción

Definición: Se entiende por energía nuclear, como la energía

obtenida del núcleo de los átomos. Hay dos formas de obtenerla. Fisión de átomos Fusión de átomos

La física nuclear comienza con el descubrimiento de la radiactividad por Henri Becquerel, en 1896.

Para comprender todo lo que lleva consigo la energía nuclear, es necesario estudiar el comportamiento del átomo, y sobre todo, él de los elementos que hacen posible la obtención de dicha energía.

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Energía Nuclear Parte I

FÍSICA NUCLEAR. CONCEPTOS BÁSICOS

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Energía Nuclear. El átomo

Masa atómica relativa de un átomoHay que designar una unidad de medida, frente al gr o kg, ya que estas eran unidades grandes., y se estableció la uma (unidad de masa atómica).Al principio la uma, fue la masa del átomo de hidrógeno ( 1p, 1e-), por ser el mas simple: así el helio tendría 4 uma (2p +2n), el carbono 12 uma, etc., hubiese sido todo muy sencillo, pero….La masa del protón es diferente a la del neutrón, y también el electrón tiene una pequeña aportación a la masa del átomo.Por otro lado existe la cuestión de isótopos, mezcla real del elemento en la naturaleza (masas diferentes e igual número atómico).Y también hay que relacionar las uma con la masa en gr, por todo esto aparece el concepto de mol, que se relaciona con los gr y el nº de Avogadro: 6,02 x 10 23 átomos o moléculas en un mol de cualquier sustancia igual a la uma expresada en gr.Mas tarde fue el elemento patrón el O-16 y desde el año 1962, según la IUPAC es el C-12. La uma se define como 1/12 parte de la masa de un átomo de C-12 (12 uma), se le asigna una masa de 12gr. 12gr/12 uma = 1mol = Nº Avogadro= 6,02 x 10 23 átomos

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Energía Nuclear. El átomo

Constitución: p.e, átomo de oxígeno

Núcleo: protones (p, +) y neutrones(n, 0), llamados nucleonesCorteza. nube electrónica (e,-)Masa del protón: 1,6725x 10 -24 gr Masa del neutrón: 1,674x 10 -24 gr Masa del electrón: 9,11 x 10 -28 gr, 1837 veces menor que la de un protón o de un neutrónNº másico= p + n = A= 8 + 8 = 16Nº atómico= p (protones), determina el elemento químico = Z

O 16, número másico, A

8, número atómico, Z

A = Z + n

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Energía Nuclear El átomo

Isótopos y masa atómica: elementos con el mismo nº atómico pero diferente nº másico, es decir, difieren en la cantidad de neutrones.La mayoría de los elementos que se

encuentran en la naturaleza son mezclas de isótopos, en proporciones conocidas, que si bien son iguales químicamente, tienen distinta cantidad de neutrones en el núcleo.

Masa atómica de un elemento, es el promedio de la masa de los isótopos que lo contienen.Como el gramo es una unidad muy grande para medir la masa de los átomos, el 1 de enero de 1962, se estableció y se unificó para la escala química la uma (unidad de masa atómica) y corresponde a 1/12 parte del C-12, (6p, 6n y 6e), p.e, la masa atómica del O-16, es 16 u.m.a veces mas que 1/12 del C-12

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Energía Nuclear El átomo

¿Cómo se obtiene la masa atómica del carbono(C)? El carbono tiene tres isótopos diferentes: C-12,

C-13 y C-14. El C-14, se encuentra en trazas. Prácticamente el cálculo de su masa atómica se realiza teniendo los otros isótopos. C12, existe en un 98,885% C13, existe en un 1,1115%ú,12 x 0,9885 + 13 x 0,01115 = 12, 01115, esté número figurará en la tabla periódica. Significa que el elemento carbono posee una masa 12,0115 veces superior 1/12 del átomo del C-12

12, 01115 es la masa atómica patrón (escala física) establecida para cálculos relativos a las reacciones nucleares y cálculos físicos.El factor de conversión para hallar la escala física, será 12,01115/12=1,00093

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Energía Nuclear Reacciones químicas y nucleares

En una reacción química la masa de los cuerpos que reaccionan es igual a las suma de los cuerpos que resultan de la reacciónNa OH + SO4 H2 ----- SO4 H Na + H2O 40 + 98 ----- 120 + 18

El “defecto de masa” correspondiente a la energía liberada es despreciable En una reacción nuclear se da siempre un defecto de masa que parece contradecir la ley de Lavoisier3 1H1 + 4 1n0 ------- 7Li3

3 1H1 = 3 x 1,007596 = 3,0227884 1n0 = 4 x 1,008982 = 4,035928 ; total= 7,058716 7Li3 = 7,01822; ∆ m = 0,040496 uma, esta masa se transforma en energía según la fórmula de Einstein; E = m . c2, m=masa en Kg, c la velocidad de la luz , E energía en julios.

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Energía Nuclear Reacciones químicas y nucleares

Ley de conservación de la masa-energía “En toda reacción química ( química y

nuclear) la suma de la masa de la materia y la energía que intervienen en la misma es una cantidad constante.”

Esta ley hace desaparecer la aparente contradicción respecto al enunciado de Lavoisier.

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Energía Nuclear Defecto de masa. Fórmula de una reacción nuclear

El defecto de masa o defecto másico proviene de la masa transformada en energía durante una reacción de acuerdo con la ecuación de Einstein E = m c2 ,

m: masa en Kg, c: velocidad de la luz en m/s, E: energía de enlace o de empaquetamiento, en JEn las reacciones nucleares es frecuente utilizar como unidad de

energía el electrón-voltio (eV).eV: representa la energía cinética que adquiere un e-, al estar sometido en el vacio a la acción del campo eléctrico de un voltio.E= P. t = potencia x tiempo; P=V. I ; E= V.I.t ; I= q / tE= q . V = culombios x voltios = julioseV= q(e-) 1V= 1,6 x 10 -19 c .1vol = 1,6 x 10 -19 jEl eV, es una unidad pequeñas se emplea el mega eV (M eV) Recordar 1 culombio es 6,3 x 10 18 e-

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La uma es una unidad muy pequeña para que se utilice en la práctica. En los laboratorios y en la industria se utilizan múltiplos de la uma.Para poder relacionar la masa de un átomo en unidad de masa atómica con el masa en gramos de un elemento o sustancia se introdujo el concepto de mol, que hace coincidir el valor numérico de ambos.Mol es la cantidad de materia que contiene el número de Avogadro, N de partículas unitarias o entidades fundamentales (ya sean éstas moléculas, átomos, iones, electrones, etc.). N = 6,02 x 10 23 entidades elementalesUn mol de cualquier sustancia contiene N partículas. Un mol es la masa molecular de esa sustancia expresada en gramos.Nº de Mol = g/Mf siendo Mf la masa molecular expresada en g/mol. Un átomo de C-12 tiene o pesa 12 umap.e, un 1 mol de C-12, tendrá 12 g y tendrá N átomos.

.

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La equivalencia entre masa y uma será:

Nº de Mol = g/Mf Mf masa molecular expresada en g/mol., p.e la masa molecular del C-12 es las uma expresadas en gramos, es decir 12 g. Un átomo de C-12= tiene 12 umaAsí que, un mol de C-12, habrá 12 g y tendrá N átomos

nº =12g/12 (g/mol).

Si una masa de 12 g de C-12 hay N átomos, 1átomo de C-12 tendrá una masa de 12g/N Como un átomo tiene 12 uma, una uma tendrá una masa 12 veces menor que (12g/N) es decir 1/N = 1,66 x 10 -24 g.= uma y 1g = N uma.1 uma = 1/12 x 12g/N = 1,66 x 10 -24 g (masa asignada a la uma)

.

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La equivalencia entre masa y energía será:

Nº de Mol = g/Mf En la diapositiva anterior hemos deducido que una uma tiene una masa de 1,66 x 10 -24 g = 1,66 x 10 -27 Kg

Si aplicamos la ecuación de Einstein para una umaE = 1 uma x c2= m c2 = 1,66 x 10 -27 Kg (3 . 10 8 m/s) 2 = =1,49 x 10 -10 J; Si un eV= 1,6 x 10 -19 JE = 1 uma x c2= 1,49 x 10 -10 J/ 1,6 x 10 -19 J/ eV = 931,2 MeV

El factor de conversión de la unidad de masa atómica uma a unidades de energía (MeV) es :

C2 = 931,2 MeV/uma

.

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La fórmula de una reacción nuclear corresponde a la ecuación química: X + x B + b + Energía

X, núcleo inicial x, partícula que bombardea B, núcleo final b, partículas emitidas E, energía producida por la masa

desintegrada

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Energía Nuclear Radiactividad natural

Ciertos isótopos tienen la propiedad de emitir partículas características, debido a su inestabilidad nuclear. El núcleo se transforma en el de otro elemento. Los elementos que poseen esta propiedad se llaman radiactivos y al fenómeno de emisión espontánea de partículas o radiaciones, radiactividad natural.Este fenómeno fue descubierto por H. Becquerel, estudiando la luz emitida por ciertas sustancias (fluorescencia) de ciertas salas de uranio, entre ellas el sulfato de potasio-uranio después de iluminarlas con luz solar.

.

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Descubrimiento por casualidad: Un día nublado de febrero de 1896, guardó en un cajón las sales de

uranio, junto con una placa fotográfica protegida con un papel grueso de color negro.

Unos días después comprobó que la película fotográfica estaba velada. Como no había estado expuesta a la luz solar, pensó que, la única explicación lógica era que la sal de uranio emitía algún tipo de radiación invisible capaz de impresionar la placa fotográfica.

Más tarde comprobó que otros compuestos de uranio tenían el mismo comportamiento, por lo tanto, el uranio era el causante de esta radiación.

Desde entonces a esta radiación invisible y penetrante , capaz de velar las placas fotográficas, ionizar gases (Rutherford) y atravesar cuerpos opacos se le denomina radiactividad.

Dos años más tarde los esposos Curie (la polaca María Sklodowska –Curie y Pedro Curie) descubrieron dos nuevos elementos mas radiactivos, el polonio y el radio.

Hoy en día se conocen mas de 40 elementos radiactivos que espontáneamente se de desintegran emitiendo partículas α, β y rayos γ.

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Actividad de una sustancia radiactiva

Radio, Ra

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Actividad de una sustancia radiactiva La radiación alfa (a):

Está formada por núcleos del isótopo 4 del helio, es decir, está constituida por una radiación corpuscular, en la que cada corpúsculo está formado por dos protones y dos neutrones. Son capaces de recorrer varios cm en el aire (su velocidad de salida es de 16.000 Km/s). Es desviada por campos eléctricos y magnéticos. Son poco penetrantes aunque muy ionizantes. Pueden ser absorbidas por una hoja de papel o por la propia piel humana

α , 2He 4, Z= 2 p, A= 4(p+n) A= Z + N; N= A-Z = 4-2= 2 neutrones

ZX A Z-2 YA-4+ 2He 4

1ª Ley de los desplazamientos radiactivos

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Actividad de una sustancia radiactiva La radiación beta (β):

Está constituida por electrones, lo que significa que es también de naturaleza corpuscular, en la que cada corpúsculo tiene una masa atómica 1/1800, aproximadamente, y una carga de 1 unidad negativa. A diferencia del caso anterior, el electrón emergente no existía anteriormente en el núcleo sino que procede de la transformación de un neutrón en un protón, que queda dentro del núcleo, y el electrón que es eyectado. La velocidad es próxima a la de luz, su masa es mucho menor y por ello tienen poco poder de penetración, (más que las partículas alfa) siendo detenidas por una hoja de metal, de algunos mm, o por una lámina de madera, de algunos cm de espesor.

β, -1e0

ZX A Z+1 Y A+ -1e 02ª Ley de los desplazamientos radiactivos Interpretación

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Actividad de una sustancia radiactiva La radiación gamma (γ): Son ondas

electromagnéticas de muy alta frecuencia (semejantes a la luz ordinaria, aunque de menor frecuencia)superiores a los rayos X. Se emiten cuando un núcleo excitado vuelve a su estado fundamental (de menor energía). La emisión gamma acompaña casi siempre a las emisiones alfa y beta. Tienen un poder de penetración mucho mayor que las partículas alfa y beta. Atraviesa con facilidad el cuerpo humano. En el aire recorre centenares de metros. Se trata de una radiación altamente peligrosa. Se detiene con paredes de plomo de varios cm de espesor. Gran utilización en las radiografías de los metales (soldaduras, etc.,).

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Actividad de una sustancia radiactiva Los neutrones(n): Se producen en

ciertas reacciones nucleares. Tiene un poder de penetración muy alto y resulta muy peligroso para el cuerpo humano (bomba de neutrones). Son fácilmente frenados por el agua. Tienen una uma y carga eléctrica nula. No son desviados por los campos eléctricos ni magnéticos y no ionizan las sustancias que atraviesan.

Los neutrones se encuentran en todos los elementos (menos en el hidrógeno ordinario)

Desintegración del neutrón

0n1 1p1+ -1 e0 + √ (antineutrino)

Interpretación

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Actividad de una sustancia radiactiva

Todas las radiaciones ingeridas resultan peligrosas para las células del cuerpo humano , ya que provocan una transmutación en el núcleo de nuestras células

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Propiedades de las radiaciones Ionización del aire próximo al cuerpo radiactivo Excitación de la fluorescencia y fosforescencia Impresionan las placas fotográficas aunque están

protegidas con papel negro La radiactividad desprende energía calorífica

Efectos de las radiaciones Alteración del núcleo de las células de los seres vivos Recibimos radiaciones procedentes del sol, de materiales

radiactivos que se encuentran en la naturaleza, de instrumentos: TV, ordenadores, campos electromagnéticos, etc.

Protección Reducir el tiempo de exposición Aumentar la distancia a la fuente radiactiva Utilizar protecciones normalizadas

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Resumiendo La radiación natural se produce espontáneamente

en determinados materiales existentes en la naturaleza

Hay un porcentaje, por suerte bajo, de núcleos inestables y emiten radiaciones hasta que encuentran su configuración estable

El Sol nos envía radiaciones, pero en el mismo suelo, las piedras, los materiales de construcción, el aire, el agua, los alimentos, etc., poseen una pequeñísima parte de átomos inestables que emiten radiaciones

La radiación natural, depende de muchos factores: Localización de geográfica Altura sobre el nivel del mar Condiciones de insolación

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Energía Nuclear Radiactividad artificial

Transmutaciones atómicas artificiales: son las transformaciones que tienen lugar cuando son bombardeados los núcleos atómicos con diversas partículas La primera transmutación artificial por Rutherford en 1919

2He4 + 7N14 8O17 + 1H1

En ocasiones una partícula puede convertir un núcleo estable en otro radiactivo. El fenómeno se denomina radiactividad artificial

La radiactividad artificial: descubierta por los esposos Jean Frederich Joliot e Irene Curie (hija de M. Curie) en 1934, les suposo el premio Nobel de Química.

2He4 + 13Al27 * 15 P30 + 0n1

* 15 P30 14Si 30 + 0e1(electrón positivo)

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Energía Nuclear Energía en las reacciones nucleares

En las reacciones nucleares el nº atómico y el número másico se conservan, no así su masa: La primera transmutación artificial por Rutherford en

1919

2He4 + 7N14 8O17 + 1H1

2He4= 4,00260; 7N14= 14,00307; ∑1)= 18,00567 uma

8O17= 16,99913; 1H1= 1,00783; ∑2)= 18,00696 uma∑2) >∑1) exceso de masa en los productos finales:

0,00129 uma; 0,00129 x 931,2 MeV=1,201248 MeV por átomo, cantidad de energía absorbida por la reacción.

Otra reacción

1H1 + 3Li7 2He4 + 2He4 ;

∑1)=1,00783+7,01601; ∑2)= 8,00520 ; la disminución de masa es 0,1864 uma, igual a 17,3 MeV por átomo, en este caso la reacción nuclear ha liberado energía.

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Energía Nuclear Tipos de reacciones nucleares

Transmutaciones Con partículas α

1Be9+ 2He4 6C12 + 0n1 Chadwick, 1932 descubre el neutrón

Con protones (1H1)

3Li7+ 1H1 22He4

9F19+ 1H1 8O16 + 2He4

Con deutones (1H2)

1H2+ 1H2 …..otra y la final es 1H3 + 1H1 fundamento de la bomba de hidrógeno

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Transmutaciones. ¿Por qué neutrones lentos? Con neutrones (0n1)

Las fuerzas nucleares interactivas fuertes mantienen la estabilidad del núcleo.

Son fuerzas de atracción fuerte y de corto alcance, al nivel de la unidad de fermi (10 -15 m).

Si un neutrón pasa cerca del núcleo, si la distancia no es la idónea será muy difícil atraparlo.

Y si además va demasiado rápido, aunque la fuerza nuclear lo tenga a su alcance, no tendrá tiempo para atraparlo. Dicho neutrón se escapará con facilidad.

Si un neutrón, podrá permanecer más tiempo en las cercanías del núcleo, y podrá ser atrapado más fácil.

Si un neutrón alcanza un núcleo masivo, pueden ocurrir dos casos: Que produzca escisión del átomo Que rebote, con la misma energía que con la que llega, así el

núcleo masivo no se entera. Si un neutrón choca con átomos ligeros, como el agua, se verá

frenado, porque cede parte de su energía, después de varios choques, adquirirá la velocidad propia de la temperatura a la que está el material, de ahí que se llamen “neutrones térmicos”

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Transmutaciones Con neutrones (0n1)

Una reacción importante con neutrones intermedios o neutrones de resonancia (rápidos) es el bombardeo del U 238.

0n1 + 92U238 92U239

92U239 93Np239 + βAl cabo de 2 días, 93Np239 94Pu239 + β

El descubrimiento del Pu tiene mucha importancia porque se obtiene del isótopo más abundante del uranio U 238 (99,3% del uranio natural). El Pu 239 puede sufrir escisiones con facilidad capturando neutrones lentos o térmicos y liberando gran cantidad de energía.

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Capturas de neutrones lentos o térmicos Con neutrones (0n1)

Casi todos los elementos al ser bombardeados por neutrones, producen núcleos nuevos por captura del neutrón. Con frecuencia el nuevo núcleo es radiactivo. Es más fácil capturar o absorber neutrones que no otras partículas, ya que estos no poseen carga eléctrica y llegan con mas facilidad al núcleo y son capturados por las fuerzas nucleares.

Los neutrones lentos (o térmicos) son capturados mucho más fácilmente que los rápidos. Para obtenerlos se utilizan sustancias llamadas moderadores, hacen disminuir su velocidad por medio de choques elásticos, con átomos de pequeña masa, como el hidrógeno, deuterio, carbón, etc. Se usan corrientemente como moderadores, el agua pesada, el agua, la parafina, el grafito, etc.

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Energía Nuclear Estabilidad nuclear

Energía de enlace La energía de enlace es la que mantiene unidos a los

nucleones (protones y neutrones) ¿ Pero… que es la energía de enlace ?

Supongamos que sumamos por separado las masas de cada una de las partículas que componen un núcleo atómico y lo comparamos con la masa total del núcleo utilizando un espectrómetro de masas.

El valor obtenido experimentalmente será menor que el obtenido en el primer caso.

A esta diferencia de masa se le denomina defecto de masa. Este defecto de masa se transforma en energía según la ecuación E= ∆m c2 que es la energía de enlace que mantiene unidos los nucleones, es la energía que se libera cuando los nucleones se unen para formar el núcleo, o también, la energía necesaria para romper el núcleo totalmente.

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Energía de enlace Los nucleones, nombre que se les designa a los protones y

neutrones, están fuertemente unidos por fuerzas que no son de naturaleza eléctrica, porque los neutrones carecen de cargas, ni tampoco gravitatoria, porque es una fuerza débil, esas fuerzas internas que se producen en el núcleo son las que mantienen la estabilidad nuclear.

La inestabilidad se produce cuando un núcleo de un isótopo estable contiene mas cantidad de neutrones (n) que de protones (p). En el uranio cuando la relación n/p > 1,6 se desintegran emitiendo un e- (un neutrón se transforma en un protón).

El defecto de masa representa también la energía de enlace que se mide en eV o en unidades de masa atómica (uma).Δm = (Z mH+(A-Z) mn ) – M

mH: masa del protón, mn : masa del neutrón A, Z y M, parámetros del átomo; M= masa atómica

( Δm / nº nucleones) 931,2 MeV/uma = MeV/nucleón = Energía de enlace

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Energía de enlace. Ejemplo Calculemos el defecto de masa y la energía de

enlace por nucleón en el cobalto 27Co 59 cuya masa atómica es 58,95182. Masa del protón 1,008142 uma; masa del neutrón 1,008982

a) Δm = (Z mH+(A-Z) mn ) – M = [27x 1,008142+(59-27) x 1,008982]- 58,95182 = 0,55544 uma

b)La energía de enlace por nucleón (W) (0,55544 uma x 931,2 MeV/uma)/59 = 8,7 MeV/nucleón

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Energía Nuclear Reacciones nucleares de interés

energético Fisión

Se entiende por fisión nuclear, la obtención de dos átomos ligeros y energía al bombardear con neutrones un átomo pesado como p.e. el U-235. Este se hace inestable se parte en dos átomos ligeros, libera energía y emite de 2 a 3 neutrones capaces de seguir la reacción, que si no se controla se produce la reacción en cadena, hasta el rompimiento de los átomos de U-235 presentes. Los núcleos obtenidos son más estables, puesto que la energía de enlace por nucleón es mayor.

El aprovechamiento de la enorme cantidad de energía liberada en estas reacciones en cadena, perfectamente controlada, a dado origen a las pilas atómicas o reactores nucleares, para la obtención de energía eléctrica y también, en el ámbito militar (bombas atómicas).

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energético Fisión

235U + on1----> 142Ba56 + 91Kr36 + 3 neutrones + 210 MeV (por átomo)

Existen otras reacciones , con la obtención de similar energía, pero núcleos finales diferentes.

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energético Fisión

El 235 U puede partirse con neutrones lentos (1/40 eV) que corresponde a la energía térmica del media ambiente a T= 300ºK. Por captura del neutrón dichos núcleos se hacen inestables, y tras oscilar durante un tiempo, se rompen en dos fragmentos de masas parecidas y unos cuantos neutrones sueltos.

235U92 + on1----> 236 *U92 ----->142Ba56 + 91Kr36 + 31n0 + E235U92 + on1----> 236 *U92 ----->140Xe54 + 94Sr38 + 21n0 + E

Así sucesivamente........ Se obtiene una media aproximada de.......

235U92 ----->135X + 95Y + (2-3)1n0 + 208 MeV

La energía de enlace por nucleón del U 235 es de 7MeV, mientras que en los núcleos fragmentados es de 8 MeV/nucleón, esto supone 1MeV desprendido, que multiplicado por aproximadamente 2x 10 2nucleones del núcleo fisonado (~200); 200 x 1MeV= 0,2 GeV

La energía así desprendida es fabulosamente alta

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energético Fisión de 1gr de U 235

Si la fisión de 1átomo de U-235, produce un promedio de 208 MeV por átomo fisionado, si hacemos cálculos, la fisión de 1 gr de U-235 producirá una energía aproximada de : [208 x (1gr/235 uma)x N], siendo N el nº de Avogadro , de 8,52 x 10 10 J. Esto equivale aproximadamente a tener conectadas 300.000 lámparas de 75 W durante 24 horas.

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Energía Nuclear Materia fisionable y fértil

Materia fisionable El uranio natural se encuentra en la naturaleza en forma de

isótopos: U-238 (99,275% ), U-235 ( 0,72%), U-234 (0,05% ). En estado natural, el U-235 se fisiona al capturar neutrones del ambiente, pero debido a su baja concentración, no se produce la reacción en cadena. También los neutrones resultantes de la escisión son captados por el U-238, que tampoco sufre la reacción encadena. En los yacimientos de uranio, las rocas están calientes, debido a la emisión espontánea de neutrones y, para que se produzca la reacción en cadena, se necesita una concentración mayor de U-235, lo que se llama uranio enriquecido. El enriquecimiento del U-235, es un proceso caro y complicado.El U-238, puedes ser fisionado por neutrones lentos intermedios o rápidos, pero no se consigue suficiente energía para producir electricidad o el rendimiento es bajo y no compensa, aunque, como hemos dicho anteriormente, conseguimos Pu-239, que es fisionable y rentable en un reactor nuclear.

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Materia fisionable El aprovechamiento de la enorme cantidad de

energía liberada en estas reacciones perfectamente ha dado lugar a:

Reactores nucleares o pilas atómicas Fuente de energía eléctrica y motriz en

submarinos, petroleros, mercantes, trasatlánticos, etc.

En la reacción de fisión existe un parámetro llamado tamaño crítico, por debajo de él la reacción no puede funcionar, y por en encima de él la reacción es multiplicativa y se desarrolla de forma explosiva.

La masa crítica explosiva es de 16 Kg, para el plutonio 239 y de 48 Kg para el uranio 235

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Núcleos fisionables Son los que pueden experimentar fisión nuclear,

son el U-235, (existente en la naturaleza) y el Pu-239 y el U-233, que se obtienen artificialmente a partir del U-238 y del Th-232, respectivamente.

Material fértil Los núcleos que, como el U-238 y el Th-232 dan

origen a productos fisionables (con neutrones térmicos) se conocen como material fértil

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energético Fusión

La liberación de energía no solo tiene lugar en la fisión de los núcleos, si no que se libera también, y en cantidad mucho mayor, cuando se fusionan dos núcleos ligeros para formar núcleos más pesados.

Para que la fusión nuclear se realice tienen que chocar los átomos con gran violencia, es decir, su energía cinética tiene que ser muy elevada. La temperatura necesaria para que los átomos alcancen esa energía es de varios millones de ºC. Teniendo en cuenta estas premisas, podremos vencer las repulsiones culombianas.

Actualmente, no se utiliza la energía de fusión para obtener energía eléctrica. Su uso a corto plazo parece imposible. Solo se ha obtenido grandes cantidades de energía a gran escala por fusión incontrolada mediante bombas de hidrógeno, en ellas la energía necesaria para iniciar la fusión la suministra una bomba atómica.

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energético Fusión: Átomo y molécula del hidrógeno

El hidrógeno ordinario es una mezcla de dos isótopos: El hidrógeno ligero o protio 1H1 (99,98%), y el

hidrógeno pesado o deuterio 1H2 , además de éstos se fabrica artificialmente un tercer isótopo, el tritio 1H3 .

Del primero de estos isótopos se forma en el agua ordinaria, H2O; del segundo resulta otra clase de agua, el agua pesada, D2O, y el tritio parece ser especialmente abundante en las estrellas y se hace intervenir en la llamada bomba de hidrógeno o bomba H.

El hidrógeno ligero se obtiene del agua ordinaria, por electrólisis. Hay otras formas de obtención. El hidrógeno es unas14 veces y media menos pesado que el aire.

El agua pesada se obtiene en plantas de fabricación: Intercambio químico Destilación Electrólisis Su densidad es de 1,1056 gr/ml, un 10,79% más que el

agua ordinaria

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energético Fusión: Átomo y molécula del

hidrógeno El tritio está en las estrellas y también se obtiene

por procedimientos artificiales: 1

3H 23He + β elemento radiactivo (e- lento)

El tritio se forma constantemente como consecuencia del impacto de los rayos cósmicos en átomos de las capas altas de la atmósfera:

714N + 1

0n 612C + 1

3T + 1n0 + E obtención natural

36 Li + 1

0n 13H + 2

4He + 1n0 + E obtención artificial

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energético Fusión

2H 1+ 3H 1 4 He2 + 1n0 +17,6 MeV

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energético ¿ Como se logra la fusión ?

1. En las estrellas de manera natural, p.e, en el SOL2. Con la bomba de H, pero utilizando una bomba

atómica3. En investigación

Para conseguir la fusión se necesitan temperaturas elevadísimas, hasta llegar a un gas formado de cationes y electrones, llamado plasma. Hay que confinar el plasma en recipientes sin paredes, pues ningún material, sería capaz de aguantar las altas temperaturas.

Confinamiento magnético Confinamiento inercial

2H 1+ 3H 1 4 He2 + 1n0 + 17,6 MeV

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energético Ventajas de la fusión La energía de fusión presentará indudables

ventajas

1. La materia prima es abundante y barata, en el agua del mar hay suficiente deuterio para abastecer a la humanidad durante miles de millones de años.

2. El tritio se obtiene bombardeando Li con los neutrones procedentes de la fusión. El Li está en rocas volcánicas y sales naturales (Chile, Bolivia, California y Nevada)

3. Los reactores de fusión presentarán menos problemas con los residuos y serán mas seguros

36 Li + 1

0n 13H + 2

4He + 1n0 + 4,8 MeV

2H 1+ 2H 1 3 He2 + 1n0 + 3,25 MeV

2H 1+ 3H 1 4 He2 + 1n0 + 17,6 MeV

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energético Reacciones termonucleares La liberación de energía en el Sol tiene lugar

gracias a las reacciones, conocidas con el nombre de cadena protón-protón que se cree que tienen lugar en el interior del Sol de fusión presentará indudables ventajas. Las reacciones son1. 1H1+1H1 1H2 + 1e0, positrón (2 veces)

2. 1H2+1H1 2He4+ γ (2 veces)

3. 2He3 + 2He3 2He4+1H1

Los positrones durante el primer paso de la cadena protón- protón, chocan con electrones; tienen lugar una aniquilación y su energía se convierte en radiación γ.

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energético Balance de la cadena protón-protón

1. 1H1+1H1 1H2 + 1e0, positrón (2 veces)

2. 1H1+1H1 1H2 + 1e0

3. 1H2+1H1 2He4+ γ (2 veces)

4. 1H2+1H1 2He4+ γ

5. 2He3 + 2He3 2He4+1H1+1H1

4 1H1 2He4+ γ

1H1=1,00783 uma, y 2He4=4,00260

Masa en reposo de 4 átomos de hidrógeno= 4,03132 u

Masa en reposo de 1 átomo de helio = 4,00260

Hay una diferencia de masa de 0,02872 uma = 26,7 MeV

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energético Cadena protón-protón

En el Sol, un gramo de su masa contiene alrededor de 2x10 23 protones

Si se consumiesen todos esos protones, la energía liberada sería de 55.000 Kw x h.

Si continuará radiando en la proporción actual, tardaría alrededor de 30.000 mil millones de años en agotar esa previsión de protones.

Se necesitan temperaturas de millones de grados para iniciar la cadena protón-protón.

Cuando se alcanza una temperatura elevada se verifican las reacciones, se libera calor y la presión de la radiación resultante evita una contracción posterior

Solo cuando la mayor parte del hidrógeno se convierte en helio, tendrá lugar una contracción posterior, produciéndose el consiguiente incremento de temperatura, y seguir produciendo mas reacciones que liberando energía.

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Energía Nuclear Aplicaciones de la energía nuclear en el

ámbito militar Bomba atómica o bomba A

Un promedio de todas las reacciones nucleares que se produce en la bomba atómica es:

235U92 + on1----> 236 *U92 ----->142Ba56 + 91Kr36 + 31n0 + 200 MeV

Su funcionamiento consiste en producir una reacción en cadena incontrolable.

Para que estalle la bomba se necesitan disponer de: Núcleos fisibles con una masa supercrítica: >16 Kg (Pu-

239) y >48 Kg(U-235) (núcleos fisibles) La masa de uranio o plutonio se concentra formando un

masa de alta densidad, provocando la reacción en cadena, por el choque de los neutrones rápidos con los átomos de uranio, p.e, conseguir que en el inicio de la explosión, seamos capaces de unir las masas subcríticas (inicialmente separadas) en otra masa de alta densidad, consiguiendo una masa supercrítica que comienza a fisionarse por si misma. Al mismo tiempo se le añaden otros elementos que potencian (le dan más fuerza) la creación de neutrones libres acelerando la reacción en cadena y provocando la explosión.

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235U92 + on1----> 236 *U92 ----->142Ba56 + 91Kr36 + 31n0 + 200 MeV Para hacer una bomba atómica, es necesario comprimir el uranio

o plutonio de manera que su masa crítica se convierta en supercrítica causando una reacción en cadena incontrolada. Esta reacción ocurre en millonésimas de segundo, produciendo una gran explosión de perímetro limitado por la cantidad de energía liberada en un instante.

La compresión necesaria para convertir la masa crítica en supercrítica se consigue haciendo estallar una carga de TNT (dinamita)., que se coloca alrededor del uranio o plutonio.

Al quedar comprimido el material fisionable por la explosión del TNT , los neutrones que se liberan no tienen adonde escapar y chocan con la mayoría de todos los átomos, produciendo la reacción en cadena incontrolada .

En una fracción de segundo, se produce la reacción en cadena incontrola, produciéndose una enorme explosíon atómica.

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235U92 + on1----> 236 *U92 ----->142Ba56 + 91Kr36 + 31n0 + 200 MeV Para hacer una bomba atómica, es necesario comprimir el

uranio o plutonio de manera que su masa crítica se convierta en supercrítica causando una reacción en cadena incontrolada. Esta reacción ocurre en millonésimas de segundo, produciendo una gran explosión de perímetro limitado por la cantidad de energía liberada en un instante.

La compresión necesaria para convertir la masa crítica en supercrítica se consigue haciendo estallar una carga de TNT (dinamita)., que se coloca alrededor del uranio o plutonio.

Al quedar comprimido el material fisionable por la explosión del TNT , los neutrones que se liberan no tienen adonde escapar y chocan con la mayoría de todos los átomos, produciendo la reacción en cadena incontrolada .

En una fracción de segundo, se produce la reacción en cadena incontrola, produciéndose una enorme explosíon atómica.

Como dato anecdótico, para destruir Hiroshima solo se convirtió en energía un gramo de masa (aunque toda la bomba pesara 4 T. Su potencia fué de 12,5 Kilotones equivalente a 12.500 T de TNT.

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235U92 + on1----> 236 *U92 ----->142Ba56 + 91Kr36 + 31n0 + 200 MeV

El kilotón es la unidad empleada en el ámbito militar para cuantificar la potencia de armas nucleares. Así un arma nuclear de un kilotón tendría el mismo poder explosivo (descontando otros efectos laterales) que una bomba convencional con mil (kilo) toneladas (ton) del explosivo trinitrotolueno (TNT). Las bombas atómicas lanzadas sobre Hiroshima y Nagasaki en 1945 tenían una potencia equivalente a unas 20.000 toneladas de TNT, es decir, unos 20 kilotones. Las cabezas nucleares con potencias de dicho orden se conocen como armas nucleares tácticas, en contraposición a las armas nucleares estratégicas con potencias de megatones.

1 Kt = 4,184×1012J ; 1Mt= 4,184x 10 15 J .

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ámbito militar Bomba H (hidrógeno), bomba de fusión

Una de las reacciones que pueden dan lugar a una bomba H promedio de todas las reacciones nucleares que se produce en la bomba atómica es:

2H1 + 1H3----->4He2 + 17,6 MeV Se necesita una bomba de fisíon para generar calor y

poder fusionarse los isótopos: 20.000 eV para que se verifique la colisión de núcleos, para ello se necesita una temperatura superior a los 100 millones de ºC.

La bomba de hidrógeno se puede construir con la cantidad de deuterio y tritio que se desee.

La potencia es 50 veces más que una bomba de fisión. La primera bomba de este tipo se hizo estallar en

Eniwetok (atolón de las Islas Marshall) el 1 de noviembre de 1952 con marcados efectos en el ecosistema de la región. La temperatura alcanzada en la «zona cero» (lugar de la explosión) fue de más de 15 millones de grados, tan caliente como el núcleo del Sol, por unos cuantos segundos. Literalmente vaporizó dicha isla. La potencia desarrollada fue de 10,4 Mt. Más tarde se desarrolló otra de 15 Mt.

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ámbito militar Efectos de una explosión nuclear

Radiación inicial: debido a la alta temperatura y presión se emite radiación en todas las direcciones, α,β,γ, X, n, ..

Pulso electromagnético: se destruyen todas las infraestructuras eléctricas y electrónicas, debido a la intensa actividad de los rayos gamma

Pulso térmico: al expandirse la bola de plasma, el aire absorbe energía en forma de rayos X, y la irradia en forma de una luz cegadora , produciendo quemaduras y cegueras, incluso a unos 20 Km de distancia. La alta temperatura que se produce tiende a igualarse a la temperatura ambiente, produciendo efectos devastadores. La presión que adquiere la explosión es de miles de atmosferas, como tiende igualarse a la presión atmosférica, origina un frente de presión que destruye cuanto encuentra en un cierto radio de acción.

Onda de choque: la rápida expansión de la bola de plasma genera una onda de choque, como cualquier explosión convencional, pero de una potencia unas 1000 veces superior. Una bomba de 20 Mt, devastaría todo en un radio de 20 Km.

Primera lluvia radiactiva: la elevada temperatura de la explosión vaporiza todo lo que se encuentra en la bola de plasma, todas se funde con los materiales radiactivos y se eleva con el hongo, para después precipitar en forma de cenizas. Esto ocurre a las 24h aproximadamente de la explosión.

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Sin terminar el tema, lo que falta en apuntes.perdonen las molestias

Para el curso próximo se incluirá en la web, todo lo que falta.

©2010. Fco Villafranca Gracia

Es, profesor de Tecnología del IES Barañáin (Navarra)

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Energía Nuclear I

Education

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