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Curso de Radiactividad y Medio Ambiente
clase 3
Departamento de Física, Facultad de Ciencias Exactas - UNLP
Instituto de Física La Plata – CONICET
Calle 49 y 115 La Plata
Reacciones nucleares
En la clase pasada estudiamos el decaimiento de núcleos inestables, y en especial la emisión espontánea de una partícula α o β que puede ser seguida por una emisión γ.
Rutherford usó partículas alfa procedentes de fuentes radiactivas naturales. Es posible incrementar la energía de
los proyectiles usando aceleradores de partículas.
No se hizo nada para iniciar este decaimiento, y nada se puede hacer para controlarlo.
En esta clase estudiaremos reacciones nucleares, que son el resultado de los procesos nucleares causados al bombardear con una partícula, y no por un proceso natural espontáneo.
Rutherford, 1919: sugirió que una partícula con energía cinética suficiente podría penetrar en un núcleo. El resultado sería un nuevo núcleo con distinto número atómico y masa
Reacciones nucleares
Cuando dos núcleos, venciendo la repulsión coulombiana, llegan a quedar muy cerca uno del otro (dentro del alcance de la fuerza nuclear), puede ocurrir un reagrupamiento de los nucleones.
Reacción nuclear. Se producen bombardeando un núcleo que sirve de blanco con un proyectil nuclear, en general un nucleón o un núcleo liviano. (no se emplean núcleos pesados por su carga: para vencer la repulsión coulombiana se requiere
que el proyectil tenga una energía cinética muy alta).
Alguna veces se emplean fotones como proyectiles (fotoreacciones).
En la mayoría de las reacciones se produce la misma u otra partícula, dejando un núcleo final o residual en su estado fundamental o excitado.
Reacciones nucleares
x + X y +Y + Q X(x, y) Y
proyectil partícula emitida energía de la reacción
blanco producto
Q = ( mx + Mx – my – MY) c2
Conservación de la energía y de la cantidad de movimiento
La primera reacción nuclear artificial (1932) fue
p + 7Li 8Be 4He +4He
Reacciones nucleares
Las reacciones nucleares están sujetas a varias leyes de conservación: - Conservación de carga - Conservación de la cantidad de movimiento lineal y angular - Conservación de la energía (si consideramos el Q).
Una ley más de conservación, que no estaba prevista en la física clásica, es la
conservación de la cantidad total de nucleones. (El número de protones y neutrones no necesitan conservarse por separado; hemos visto que en el decaimiento β los neutrones y los protones se transforman uno en el otro).
En virtud de la conservación del número nucleónico, la suma de los números de masa iniciales también debe ser igual a la suma de los números de masa finales. En general, ésas no son colisiones elásticas y, en consecuencia
la masa total inicial no es igual a la masa total final.
Reacciones nucleares
Si las energías de las partículas involucradas no son muy altas, la reacción se produce en dos etapas:
1- La partícula incidente es capturada, formándose un núcleo intermedio (o compuesto) 2- El núcleo compuesto se desexcita emitiendo una partícula o por algún otro medio.
Reacciones nucleares
núcleo compuesto el decaimiento no depende de la manera en que se formó (vidas medias extremadamente corta, del orden de 10-8 s o menos)
Para una determinada primera etapa de una reacción nuclear, existen varios modos de desexcitación del núcleo compuesto. Cada modo se denomina canal.
60Ni + 62Zn + 2n63Cu + p 64Zn* 63Zn + n63Zn + n 62Cu + p + n
Alguna reacciones nucleares NO PUEDEN ser explicadas a partir del modelo de núcleo compuesto. Ejemplo:
Elásticas; el núcleo queda en el mismo estado, de modo que la energía cinética se conserva.
Interacción Coulombiana Interacción nuclear
x = y X = Y Q = 0
Reacciones nucleares
Si las partículas incidente y saliente son las mismas, el proceso se denomina dispersión.
Inelásticas partícula emitida igual o distinta al proyectil interacción con el blanco transferencia de energía
directa interacción con un núcleo
(masas atómicas)
Reacciones nucleares
si Q > 0 reacción exotérmica si Q < 0 reacción endotérmica
(También se usan las expresiones exoérgica y endoérgica)
si Q > 0, la reacción ocurre para todos los valores de la energía cinética del proyectil.
La diferencia entre las masas antes y después de la reacción corresponde a la energía de reacción, de acuerdo con la relación entre masa y energía E=mc2.
si Q < 0, el proyectil debe tener una energía cinética mínima para producir la reacción. reacción endotérmica
Reacciones nucleares
El umbral de energía cinética del proyectil en el sistema de referencia L es:
Si se las puede tratar en forma no relativista (Q pequeño), el umbral en el mismo sistema de referencia es:
Reacciones nucleares
En algunos casos, el proyectil es capturado, pero no se emite una nueva partícula. Se emite un rayo γ, cuya energía depende de varios factores.
También puede darse el proceso inverso: un núcleo absorbe un rayo γ de energía suficiente para que una partícula sea emitida. Este proceso, equivalente al efecto fotoeléctrico en átomos, se denomina reacción fotonuclear.
Reacciones nucleares
Muchas veces, el núcleo proveniente de una reacción nuclear es inestable. En efecto, es por medio de las reacciones nucleares que se forman los radionucleídos artificiales, la radiactividad artificial (F. Joliot, I. Curie, 1934).
Reacciones nucleares
Algunos ejemplos.
Reacción exotérmica.
Reacciones nucleares
Algunos ejemplos.
Reacción endotérmica. La reacción se produciría bombardeando núcleos en reposo de 14N con partículas alfa de un acelerador. En este caso, la energía cinética de una partícula alfa debe ser mayor que 1.192 MeV.
En este caso, la energía cinética del proyectil debe ser al menos 1.533 MeV.
Reacciones nucleares
Para que una partícula cargada penetre en el núcleo de otro átomo y cause una reacción, en general debe tener una energía cinética inicial suficiente para superar la barrera de energía potencial causada por las fuerzas electrostáticas de repulsión.
Aun cuando la reacción es exoérgica, el protón debe tener una energía cinética mínima de 1.2 MeV para que suceda la
reacción.
Si consideramos al protón y al núcleo de 7Li con simetría esférica y radios dados por:
R = 1.07A1/3
sus centros estarán a una distancia de 3.5x10-15 m cuando se toquen. La energía potencial de repulsión protón (carga +e)-7Li (carga +3e) a esta distancia es:
Sección eficaz
Se define a la sección eficaz (s) como el número de reacciones por unidad de tiempo y por partícula del blanco respecto del número de partículas incidentes
s = R / (N.I) R : velocidad de la reacción N: número de partículas en el blanco I: número de partículas incidentes
[s] = [R] / ([N].[I]) = [t -1] / ([l 2] [t -1]) = [l 2]
10 -28 m 2 = 1 barn
Fusión y fisión
Núcleos pesados tienden a partirse (fisionarse).
Núcleos livianos tienden a unirse (fusionarse).
Combinación de dos o mas núcleos.
Fusión
)101,5(2,3 131
0
3
2
2
1
2
1 JxMeVnHeHH
Las reacciones de fusión liberan energía: la energía de enlace por nucleón, después de la reacción, es mayor que antes del proceso.
Proceso natural en las estrellas
En conjunto, las reacciones forman el proceso llamado cadena protón-protón.
Fusión
El efecto neto de la cadena es la conversión de cuatro protones en una partícula α, dos positrones, dos neutrinos electrónicos y dos γ.
Fusión
La liberación total de energía es 26.73 MeV.
La cadena protón-protón sucede en el interior del Sol y otras estrellas. Cada gramo de la masa del Sol contiene unos 4.5x1023 protones.
Fusión
Si todos ellos se combinaran para formar He, la energía liberada sería de unos 130,000 kWh. Si el Sol continuara irradiando a su tasa actual, tardaría unos 75x109 años para agotar sus protones.
las reacciones de fusión sólo pueden efectuarse a temperaturas extremadamente altas; en el Sol, esas temperaturas sólo se encuentran en el interior, a gran profundidad. Por consiguiente el Sol no puede fusionar todos sus protones y sólo lo puede hacer durante unos 10x109 años en total. La edad actual del Sol es de 4.6x109 años, por lo que el Sol consumió la mitad de sus protones disponibles.
Fusión
La energía liberada como luz estelar proviene de reacciones de fusión en las profundidades
del interior de la estrella.
Cuando se forma una estrella, y durante la mayor parte de su vida, convierte el hidrógeno de su núcleo en helio. A medida que envejece la estrella, la temperatura del núcleo puede elevarse lo suficiente para que se efectúen otras reacciones de fusión, que convierten al helio en carbono, oxígeno y otros elementos.
Fusión
Para que dos núcleos se fusionen, deben acercarse a una distancia menor del alcance de la fuerza nuclear: 2x10-15 m.
Deben superar la repulsión eléctrica de sus cargas positivas. Para dos protones a esta distancia, la energía potencial es del orden de 1x10-13 J=0.7 MeV. Esta energía representa la energía cinética inicial que deben tener los núcleos que se fusionan.
Es mucha o poca energía?
Fisión
- Proceso de desintegración en el que un núcleo inestable se divide en dos fragmentos de masa comparable.
1938, experimentos de Otto Hahn y Fritz Strassman - Bombardeo de U (Z=92) con neutrones. La radiación que resultaba no coincidió con la de
algún nucleído radioactivo conocido.
Análisis químicos meticulosos mostraron que habían encontrado un isótopo radiactivo del bario (Z=56). Después también se encontró kriptón radiactivo (Z=36).
Lise Meitner y Otto Frisch interpretaron estos resultados como que los núcleos de U se estaban dividiendo en dos fragmentos masivos (fragmentos de fisión). Dos o tres neutrones aparecen, normalmente junto con los fragmentos de fisión, y sólo en ocasiones aparece un nucelído ligero como el 3H.
A > 50: las reacciones de fisión liberan energía por la misma razón que las reacciones de fusión.
Fisión
La energía de enlace por nucleón disminuye en función de A, hasta aprox. A=60, por lo que es probable que la fisión de un núcleo
pesado para formar dos núcleos mas ligeros sea una reacción exoérgica.
En comparación con la fisión, estamos moviéndonos hacia el máximo de esta curva, desde el lado contrario.
Tanto el 238U (abundancia: 99.3%) como el 235U (0.7%), así como algunos otros nucleidos, se pueden dividir con facilidad por bombardeo con neutrones.
Fisión
- El 235U con neutrones con energía cinética menor que 1 eV - El 238U sólo con neutrones rápidos con una energía mínima aproximada de 1 MeV.
Cuando el 235U absorbe un neutrón, el nucleído que resulta 236U* se divide en dos fragmentos, casi en forma instantánea. (En sentido estricto, es el 236U* y no el 235U el que se fisiona, pero se acostumbra hablar de fisión del 235U).
La fisión resultante de la absorción de neutrones se llama fisión inducida. Algunos nucleídos también pueden experimentar fisión espontánea sin absorción inicial de neutrones, lo cual es bastante raro.
se estima que el 238U se fisiona espontáneamente con una vida media del orden de 1016 años!
Fisión
Fisión
Se han encontrado entre los productos de fisión más de 100 nucleídos, que representan a
más de 20 elementos. La mayor parte de los fragmentos tienen números de masa de 90 a
100 y de 135 a 145.
J)10x (3,2 MeV200 n3 Rb Cs n U -111
0
93
37
140
55
1
0
235
92
Los fragmentos de la fisión siempre tienen demasiados neutrones para ser estables. En general sufren una serie de decaimientos β- hasta que se llega a un valor estable de N/Z.
La energía liberada en la fisión es del orden de 200 MeV (comparar con las energías típicas de alfas y betas, de unos cuantos MeV).
Fisión
La razón es que la energía de enlace promedio por nucleón es: 7.6 MeV para A=240, 8.5 MeV para A=120.
En consecuencia, una estimación aproximada del aumento esperado en la energía de enlace durante la fisión es
8.5 MeV - 7.6 MeV = 0.9 MeV por nucleón, aproximadamente.
La fisión de un núcleo de U, iniciada por bombardeo de neutrones, libera otros neutrones que pueden iniciar más fisiones, sugiriendo la posibilidad de una reacción en cadena.
Reacción en cadena y masa crítica
Puede hacerse que la reacción en cadena proceda «lentamente» y en forma controlada en un reactor nuclear, o en forma explosiva y sin control en una bomba.
Los neutrones tienen mayor probabilidad de producir fisión de un material fisionable que de ser absorbido en una reacción improductiva.
Baja proporción del isótopo fisionable los neutrones serán absorbidos por isótopos no fisionables o escaparán del material sin interactuar.
Alta proporción de isótopos fisionables y el material es lo suficientemente grande y compacto masa crítica reacción en cadena autosostenida.
Reacción en cadena y masa crítica
233U 1,6 kg 235U 52 kg 239Pu 10,6 kg
Reacción en cadena y masa crítica
La liberación de energía en una reacción nuclear en cadena es mucho mayor que en cualquier reacción química. Cuando el uranio se “quema” y forma dióxido de uranio en la reacción química:
el calor de combustión aproximado es de unos 11 eV por átomo.
La fisión libera unos 200 MeV por átomo, unas 20 millones de veces más energía.
Reactores nucleares
Un reactor nuclear es un sistema en el que se usa una reacción nuclear en cadena y controlada para liberar energía.
.
Reactores nucleares
En promedio, cada fisión de un núcleo de 235Uproduce unos 2.5 neutrones libres
Se necesita un neutrón (el 40%) para sostener una reacción en cadena.
Es mucho más probable que un núcleo de 235U absorba un neutrón de baja energía (menor que 1 eV) que uno de los neutrones de mayor energía (del orden de 1 MeV) que se liberan durante la fisión.
En un reactor nuclear, los neutrones de mayor energía son desacelerados por choques con núcleos del material vecino (moderador) por lo que es mucho más probable que sigan causando fisiones. Moderador: generalmente es agua y a veces grafito.
Reactores nucleares
Algunos comentarios: La tasa de la reacción se controla introduciendo o sacando varillas de control, (boro, cadmio, cuyos núcleos absorben neutrones sin sufrir reacciones adicionales.
El isótopo 238U también puede absorber neutrones, transformándose en 239U*, pero con una probabilidad extremadamente baja, por lo que no puede sostener por sí una reacción en cadena.
Por eso, el uranio que se usa en los reactores se “enriquece” aumentando la proporción del 235U con respecto al valor natural del 0.7% (hasta un 3% aprox.)
Reactores nucleares
Reactores nucleares
Una planta nuclear típica tiene una capacidad de generación eléctrica del orden de 1000 MW.
En las plantas nucleares modernas, la eficiencia general aproximada es de 0.3.
Se deben generar 3000 MW de potencia térmica mediante fisión
para generar 1000 MW de potencia eléctrica.
Las turbinas son máquinas térmicas y están sujetas a las limitaciones de eficiencia que impone la segunda ley de la termodinámica.
Pregunta: ¿Qué masa de 235U se debe fisionar cada día para dar 3000 MW de potencia térmica?
Reactores nucleares
- Sabemos que por cada fisión se generan del orden de 200 MeV/átomo. - Potencia: 3000 MJ (3000x106 J)/segundo.
De esto, se obtiene que en un día (86,400 s) el consumo total de 235U es 3.2 kg.
En comparación, una central eléctrica de 1000 MW alimentada con carbón quema
10,600 toneladas de carbón ¡cada día!
1 kg 235U 3000 toneladas de carbón
1 mg 235U la energía consumida en una hora por 7500 hogares
(TV, horno eléctrico, heladera, etc.)
1 ktn 1000 toneladas de TNT
3600J 1 Watt h
Unidades y órdenes de magnitud
En un reactor se liberan unos 15 MeV de energía en la fisión de un núcleo de 235U debido a los
decaimientos β- de los fragmentos de la fisión.
Un punto a tener en cuenta
Problema: Aun cuando se haya detenido por completo la reacción en cadena, por inserción de
varillas de control, los decaimientos β- continúan desprendiendo calor,
Para un reactor de 3000 MW esta potencia calorífica es de unos 200 MW.
En el caso de una pérdida total del refrigerante esta potencia puede causar una fusión del
núcleo del reactor, y la posible ruptura del recipiente de contención.
Reactores en Argentina
Atucha I
Atucha II
Central Embalse
Atucha I
TIPO DE REACTOR Recipiente de presión SIEMENS
POTENCIA TÉRMICA 1.179 MWt
POTENCIA ELÉCTRICA
BRUTA/NETA 357 Mwe
MODERADOR Y
REFRIGERANTE Agua pesada (D20)
COMBUSTIBLE Uranio natural o uranio levemente enriquecido
(0.85%)
GENERADOR
DE VAPOR Dos verticales, tubos en "U" Incolloy 800
TURBINA Una etapa de alta presión, tres etapas de baja
presión . Velocidad: 3.000 rpm
GENERADOR
ELÉCTRICO Dos polos tensión 21 Kv, 50 Hz
TIPO DE REACTOR Recipiente de Presión
POTENCIA TÉRMICA 2.175 MWt
POTENCIA ELÉCTRICA
BRUTA/NETA 745/692 MWe
MODERADOR Y
REFRIGERANTE Agua pesada (D2O)
COMBUSTIBLE Uranio natural
GENERADOR
DE VAPOR
Dos verticales, tubos en "U" Incolloy
800
TURBINA
Una etapa de alta presión. Dos etapas de
baja presión.
Vel.: 1500 rpm.
GENERADOR ELÉCTRICO
Cuatro polos. Tensión de generación 21
KV.
50 Hz
Atucha II
Embalse Río Tercero
TIPO DE REACTOR Tubos de presión (CANDU)
POTENCIA TÉRMICA 2.109 MWt
POTENCIA ELÉCTRICA
BRUTA/NETA 648 Mwe
MODERADOR Y
REFRIGERANTE Agua pesada (D2O)
COMBUSTIBLE Uranio natural
GENERADOR
DE VAPOR
Cuatro verticales, tubos en "U" Incolloy
800
TURBINA
Una etapa de alta presión, tres etapas de
baja presión . Velocidad:
1.500 rpm
GENERADOR
ELÉCTRICO
Cuatro polos. Tensión
22 KV, 50 Hz
Diseñadas para ser utilizadas contra grandes concentraciones de población
Armas nucleares
La potencia de la bomba atómica o nuclear resulta devastadora en comparación con los explosivos clásicos
Basadas en la liberación de energía nuclear a gran escala: E = mc2
La potencia de la bomba sólo depende de la capacidad de convertir más masa antes de que la reacción disperse los constituyentes.
Primera prueba A: el 16 de julio de 1945 cerca de Alamogordo, Nuevo México (USA). 20ktn
Armas nucleares
Hiroshima: 6 de agosto de 1945. 20ktn Nagasaki: 9 de agosto de 1945. 20ktn
Primeras pruebas H: 1 de noviembre de 1952, USA, 1953. URSS, 1 de marzo de 1954, USA. 15000 ktn
Ensayos nucleares en el Desierto de Arizona (USA), Atolón de Mululoa (Francia), Novaya Zemlya (URSS) y ...
Hiroshima 35 kg de 235U Detonación con una proyectil sobre material fisil
Armas nucleares
Nagasaki 25 kg 239 Pu Detonación por implosión con un explosivo químico, mecanismo eléctrico
0.5 kg de 235U equivalen a 9.9 ktn 0.5 kg de 239Pu equivalen a 8.5 ktn
Bomba H Normalmente el 50% de la energía liberada se obtiene por fisión nuclear y el otro 50% por fusión.
Material fusionable dueterio y tritio Detonadas con bomba de fisión
0.5 kg equivalen a 29 ktn
Armas termonucleares o de fusión
Bomba de radiación directa incrementada o bomba de radiación forzada Derivada de la bomba H
Bomba de neutrones o N
Bajar el porcentaje de energía obtenida por fisión a menos del 50%, e incluso se ha llegado a hacerlo de cerca del 5%.
Produce una proporción de radiaciones ionizantes hasta 7 veces mayor que las de una bomba H, fundamentalmente rayos X y gamma de alta penetración.
Buena parte de esta radiactividad es de mucha menor duración (menos de 48 horas) de la que sería de esperar de una bomba de fisión.
Produce poca destrucción de estructuras y edificios, pero mucha afectación y muerte de los seres vivos
Efectos de la onda expansiva Onda de choque Onda de succión
Efectos térmicos
Efectos de la radiactividad Instantánea
Lluvia Radiactiva Efectos climáticos
Efectos
Esterilización La irradiación es un medio privilegiado para destruir en frío microorganismos: hongos, bacterias, virus … Por esta razón, existen numerosas aplicaciones para la esterilización de objetos, especialmente para el material médico-quirúrgico.
La radioactividad también se usa en:
Protección de obras de arte El tratamiento mediante rayos gamma permite eliminar los hongos, larvas, insectos o bacterias alojados en el interior de las obras a fin de protegerlas de la degradación. Esta técnica se utiliza en el tratamiento de conservación y de restauración de objetos de arte, de etnología, de arqueología.
Elaboración de materiales La irradiación provoca, en determinadas condiciones, reacciones físico-químicas que permiten la elaboración de materiales más ligeros y más resistentes, como aislantes, cables eléctricos, envolventes termoretractables, prótesis, etc.
La radioactividad también se usa en:
Radiografía industrial X o gamma Consiste en registrar la imagen de la perturbación de un haz de rayos X o g provocada por un objeto. Permite localizar los fallos, por ejemplo, en las soldaduras, sin destruir los materiales.
Detectores de fugas y los indicadores de nivel La introducción de un radioelemento en un circuito permite seguir los desplazamientos de un fluido, detectar fugas en las presas o canalizaciones subterráneas. El nivel de un líquido dentro de un depósito, el espesor de una chapa o de un cartón en curso de su fabricación, la densidad de un producto químico dentro de una cuba, etc. pueden conocerse utilizando indicadores radioactivos.
La radioactividad también se usa en:
Detectores de incendio Una pequeña fuente radioactiva ioniza los átomos de oxígeno y de nitrógeno contenidos en un volumen reducido de aire. La llegada de partículas de humo modifica esta ionización. Por esta razón se realizan y se utilizan en los comercios, fábricas, despachos, etc. detectores radioactivos sensibles a cantidades de humo muy pequeñas.
Pinturas luminiscentes Se trata de las aplicaciones más antiguas de la radioactividad para la lectura de los cuadrantes de los relojes y de los tableros de instrumentos para la conducción de noche.
La radioactividad también se usa en:
Fuente de energía portátil Las baterías eléctricas funcionan gracias a pequeñas fuentes radioactivas con 239Pu, 60Co o 90Sr. Estas reactores se montan lugares pequeños o de difícil acceso tales como satélites, barcos, submarinos, etc. Son de tamaño muy reducido y pueden funcionar sin ninguna operación de mantenimiento durante años.
Diagnóstico y tratamiento de enfermedades La glándula tiroides absorbe el yodo que se ingiere en los alimentos. Para su estudio se administra al paciente 131I. La radiación que emite, una vez fijado en la tiroides es detectada por un equipo que reproduce la imagen de la misma. Esta técnica se demonina centellografía. Empleando otros isótopos se pueden detectar lesiones y tumores en distintos órganos.
La radioactividad también se usa en:
En el tratamiento, se emplea radiación para destruir células cancerosas ya sea insertando agujas con material radioactivo en la zona afectada o bien irradiando con rayos X, gamma o electrones provenientes de un acelerador de partículas o fuentes de 60Co.
Investigación Mediante la técnica de autorradiografiado es posible estudiar la forma en que se distribuyen los fertilizantes en las plantas. Se emplean fertilizantes que poseen en su composición un nucleído.
La radioactividad también se usa en:
Además del 14C, en arqueología y paleontología se utiliza para datación la termoluminiscencia, decaimiento del 40K, 16O, etc.
Técnicas nucleares y radionucleidos también se utilizan para estudiar propiedades nanoscópicas de sólidos.
