Física Tema 3 – 1 2º Bachillerato Interacción nuclear. Radiactividad IES Portada Alta - Luis Garrido Tema 3 INTERACCIÓN NUCLEAR. RADIACTIVIDAD 1.- Estructura del átomo. El núcleo. Tamaño y unidades atómicas 2.- Defecto de masa. Energía de enlace por nucleón 3.- Fuerzas nucleares. 4.- Radiactividad natural. Radiaciones emitidas 5.- Procesos nucleares artificiales. Radiactividad artificial 6.- Ley de desintegración. Constante radiactiva. Actividad 7.- Efectos y medida de las radiaciones 8.- Aplicaciones de los radioisótopos 9.- Reacciones nucleares. Clasificación 10.- Reacciones de fisión y fusión nuclear 11.- Reactores nucleares 12.- Problemas que plantea la energía nuclear 13.- La energía nuclear en España
1. Fsica Tema 3 1 2 Bachillerato Interaccin nuclear.
Radiactividad IES Portada Alta - Luis Garrido Tema 3 INTERACCIN
NUCLEAR. RADIACTIVIDAD 1.- Estructura del tomo. El ncleo. Tamao y
unidades atmicas 2.- Defecto de masa. Energa de enlace por nuclen
3.- Fuerzas nucleares. 4.- Radiactividad natural. Radiaciones
emitidas 5.- Procesos nucleares artificiales. Radiactividad
artificial 6.- Ley de desintegracin. Constante radiactiva.
Actividad 7.- Efectos y medida de las radiaciones 8.- Aplicaciones
de los radioistopos 9.- Reacciones nucleares. Clasificacin 10.-
Reacciones de fisin y fusin nuclear 11.- Reactores nucleares 12.-
Problemas que plantea la energa nuclear 13.- La energa nuclear en
Espaa
2. Fsica Tema 3 2 2 Bachillerato Interaccin nuclear.
Radiactividad IES Portada Alta - Luis Garrido 1.- NCLEO ATMICO Un
tomo consta de ncleo y corteza. En el ncleo hay protones (carga +)
y neutrones (sin carga); en la corteza hay electrones (carga -).
Carga del protn = carga del electrn = 1,6.10-19 C. Nmero atmico Z
es el nmero de protones que contiene el ncleo de un tomo. Nmero
msico A es la suma de los protones y neutrones que contiene el
ncleo. Un ncleo se caracteriza por A, Z y la energa que posea, y lo
designaremos por Z A X . Los protones y neutrones reciben el nombre
genrico de nucleones. Istopos son nclidos con el mismo nmero atmico
y distinto nmero msico; es de- cir, con igual nmero de protones y
distinto nmero de neutrones. Isbaros son nclidos de igual nmero
msico y distinto numero atmico. El tamao del ncleo est relacionado
con su n msico (A): R = r A0 1 3 . Dicha relacin se ha confirmado
experimentalmente, y ro vale 1,2.10-15 m. La masa de tomos y ncleos
se mide empleando la unidad de masa atmica, u.m.a., que se designa
por u y se define como la doceava parte de la masa que tiene el
tomo de carbono de nmero msico 12. 1 u.m.a. = 1,66.10-27 kg Las
masas del protn, neutrn y electrn, expresadas en ambas unidades,
son: mp = 1,673.10-27 kg = 1,0073 u mn = 1,675.10-27 kg = 1,0087 u
me = 9,110.10-33 kg = 5,486010-4 u La unidad de energa, en fsica
atmica, es el electrn-voltio, eV, que se define como la energa que
adquiere un electrn, inicialmente en reposo, cuando se traslada de
un punto a otro entre los que existe una diferencia de potencial de
un voltio. W = q(V-V) Su equivalencia en julios es: 1 eV =
1,6.10-19 C 1V = l,6.10-19 J ; 1 MeV = 1,6.10-13 J. La expresin
dada por Einstein E = mc2 relaciona las magnitudes masa y energa. A
partir de esta expresin se deduce que: 1u.m.a. = 931 MeV. masa de
un mol de tomos de 12 C = 12 g = 12.10-3 kg masa de un tomo de 12 C
= 12.10-3 /6,02.1023 kg = 1,99.10-26 kg u.m.a. = 1,99.10-26 /12 =
1,66.10-27 kg EE == mmcc22 = 1 u (3.108 m/s)2 = 1,66.10-27 kg
(3.108 m/s)2 E = 1,49.10-10 J = 1,49.10-10 J 1 eV/1,6.10-19 J =
9,31.108 eV 1 u.m.a. = 9,31.108 eV = 931 MeV
3. Fsica Tema 3 3 2 Bachillerato Interaccin nuclear.
Radiactividad IES Portada Alta - Luis Garrido 2.- DEFECTO DE MASA.
ENERGA DE ENLACE POR NUCLEN La masa experimental o real del ncleo
de 4 He , medida con el espectrmetro de masas, resulta ser de
4,002603 u (*), diferente de la masa terica calculada sumando la
masa de sus nucleones, (2mp + 2mn) = 4,031884 u. (*) A todos los
efectos, el valor de la masa nuclear se toma igual al de la masa
atmica La diferencia entre la masa terica y la experimental es el
defecto de masa: m = 0,029281 u. A ese defecto de masa se asocia un
defecto de energa: E = mc2 = 27,26 MeV. Este defecto de energa se
interpreta como la energa que se libera al formarse el ncleo del
tomo a partir de sus partculas elementales, o bien, como la energa
que tenemos que dar a dicho ncleo para separarlo en sus partculas
elementales, y se le denomina energa de ligadura o energa de enlace
del ncleo. Si dividimos la energa de ligadura por el nmero de
nucleones del nclido, obtendre- mos la energa de enlace media por
nuclen en este nclido, E/A, que representa la energa media
necesaria para extraer un nuclen del ncleo. Segn la grfica, al
aumentar el nmero msico A, la energa de enlace por nuclen no vara
mucho, excepto para los nclidos ligeros, por lo que la curva casi
constante, vara entre 7,5 y 8,5 MeV, con un mximo para valores
cercanos a 60, de los nclidos con ms estabilidad nuclear, con mayor
energa de ligadura. Esta energa de enlace de los nucleones es del
orden del MeV, mientras que la energa de enlace de los electrones
de un tomo con respecto a su ncleo es del orden del eV. Esta
diferencia explica que se obtenga mucha ms energa de las reacciones
nucleares que de las qumicas.
4. Fsica Tema 3 4 2 Bachillerato Interaccin nuclear.
Radiactividad IES Portada Alta - Luis Garrido 3.- FUERZAS NUCLEARES
Si en el ncleo hay Z cargas positivas en un espacio esfrico, cuyo
radio es del orden de 10-15 m, cmo es posible que el ncleo sea
estable y no se desintegre por el efecto de la repulsin
electrosttica entre las cargas positivas? Para contestar es
necesario postular la existencia de la interaccin nuclear fuerte,
de tipo atractiva y que acta entre cada par de nucleones de forma
independiente de que tengan o no carga elctrica y de cul sea su
signo. Esta interaccin nuclear fuerte es la responsable de la
estabilidad nuclear; es decir, mantiene a los quarks unidos en el
protn y en el neutrn, y a los protones y neutrones en el ncleo. Las
fuerzas nucleares renen una serie de condiciones experimentales: a)
Son de naturaleza distinta de las conocidas hasta ahora. b) Son muy
fuertes, capaces de vencer la repulsin electrosttica entre
protones. c) Son de muy corto alcance, pues su accin es nula a
distancia mayor de 10-14 m. d) Las fuerzas nucleares se saturan;
esto significa que un determinado nuclen no puede interaccionar
simultneamente con nmero ilimitado de nucleones, sino slo con un
pequeo nmero de ellos, los ms prximos. En consecuencia, la densidad
nuclear es constante. Recordemos que las fuerzas gravitatorias y
electromagnticas ni se saturan ni tienen un alcance limitado,
puesto que una partcula, por su masa o por su carga, interacciona
con cualquier otra partcula presente en el sistema y, adems, a
cualquier distancia. Tambin se conoce la interaccin nuclear dbil,
responsable de la desintegracin de los neutrones; es decir, de la
desintegracin beta. Comparemos la intensidad de los cuatro tipos de
interacciones: Fuerte (1) > Electromagntica (10-2 ) > Dbil
(10-5 ) > Gravitatoria (10-38 ) Muchos grandes fsicos han
dedicado tiempo y esfuerzo a la elaboracin de una teora de campo
unificado, una teora que d cuenta de las cuatro clases de
interacciones con un mismo conjunto de principios. Einstein, por
ejemplo, dedic la mayor parte de los ltimos aos de su vida a un
infructuoso intento de aportar esta clase de unificacin a la fsica.
La bsqueda de una teora tal pervive entre los fsicos tericos, y la
esperanza de la teora del campo unificado es que un da se
encontrarn conexiones en todas las inter- acciones.
5. Fsica Tema 3 5 2 Bachillerato Interaccin nuclear.
Radiactividad IES Portada Alta - Luis Garrido 4.- RADIACTIVIDAD
NATURAL. RADIACIONES EMITIDAS La radiactividad natural es un
proceso espontneo en el que un nclido inestable se des- compone,
dando lugar a otro nclido ms estable y emitiendo una radiacin.
Descubier- ta por Becquerel, en 1896, en las sales de uranio.
Pierre y Marie Curie descubrieron en la pecblenda otros dos
elementos radiactivos: polonio y radio. La radiactividad es una
propiedad nuclear y se presenta con independencia del compues- to
del que forma parte el tomo radiactivo. Existen ms de 100 istopos
radiactivos na- turales. Son radiactivos todos los istopos a partir
del polonio Z = 84. Radiaciones emitidas. Leyes de Soddy Los ncleos
radiactivos emiten espontneamente tres clases distintas de
radiaciones: , y . La emisin de radiaciones se conoce como
decaimiento. a) La naturaleza de las partculas se determin con el
espectrgrafo de masas; son ncleos de helio, es decir, la radiacin
est constituida por partculas de masa 4 u, y carga positiva igual a
dos veces la carga del electrn. Cuando un nclido emite una partcula
, su nmero msico disminuye en 4 unida- des y su nmero atmico en 2:
YX A Z A Z 4 2 b) De la radiacin , se conocen dos tipos, la y la +
, segn que lo que se emita sea respectivamente un electrn o un
positrn (partcula igual que el electrn pero de carga positiva). Los
electrones que constituyen la radiacin provienen del ncleo, por una
trans- formacin de un neutrn en un protn y un electrn, ms un
antineutrino, partcula postulada para que se conservara el momento
y la energa en este tipo de radiaciones, y cuya existencia se
comprob ms tarde: n p e + + . Cuando un nclido emite una radiacin ,
su nmero msico no vara y su nmero atmico aumenta en una unidad: Z A
Z A X Y ++ 1 La desintegracin se produce en istopos de ncleos
ligeros cuyo nmero msico es superior al de los istopos estables de
esos mismos elementos. c) La radiacin no tiene naturaleza
corpuscular; se trata de una radiacin electromag- ntica, emitida al
desexcitarse el ncleo para volver a su estado fundamental, proceso
anlogo al que ocurre al desexcitarse un electrn en el tomo, si bien
en este caso la frecuencia de las radiacin emitida es mucho menor
que en la radiacin . XX A Z A Z * , siendo * XA Z un estado
excitado del ncleo.
6. Fsica Tema 3 6 2 Bachillerato Interaccin nuclear.
Radiactividad IES Portada Alta - Luis Garrido 5.- PROCESOS
NUCLEARES ARTIFICIALES. RADIACTIVIDAD ARTIFICIAL La radiactividad
natural sugiere que los ncleos atmicos son estructuras complejas, y
es lgico realizar su estudio bombardendolos con proyectiles
naturales, tales como las mismas partculas emitidas por los ncleos
radiactivos. De esa forma se pueden con- seguir transmutaciones
(procesos) nucleares artificiales. Rutherford en 1911, al estudiar
la difusin de partculas por el nitrgeno, observ la formacin de un
istopo del oxgeno y la presencia de partculas que se identificaron
como protones: 7 14 2 4 8 17 1 1 N He O H+ + Bothe y Becker en
1930, bombardearon berilio con partculas procedentes de una fuente
de polonio, obteniendo un tipo de rayos muy penetrantes,
identificados por Chadwick como una nueva partcula, el neutrn: 4 9
2 4 6 12 0 1 Be He C n+ + Con el fin de obtener partculas con
elevada energa para ser utilizadas como agentes bombardeantes se
utilizan los llamados "aceleradores de partculas", como el ciclotrn
(protones) y el betatrn (electrones). Las transformaciones
nucleares artificiales conducen con frecuencia a la obtencin de
ncleos que no se encuentran en la naturaleza; tales ncleos son
inestables y se desinte- gran mediante un proceso al que se llama
radiactividad artificial. El primer fenmeno de este tipo fue
descubierto por Joliot-Curie en 1934, pues al bombardear aluminio
con partculas detectaron neutrones, pero observaron adems que,
despus de cesar el bombardeo, el aluminio pareca ser radiactivo. En
realidad lo que ocurra es que el fsforo producido es inestable y se
desintegraba emitiendo un posi- trn: 13 27 2 4 15 30 0 1 Al He P n+
+ ; 15 30 14 30 1 0 P Si e* ++ La emisin de positrones es una
posibilidad exclusiva de los radioelementos (elementos radioactivos
artificiales), pues los naturales slo emiten partculas y
electrones. Se han obtenido prcticamente radioistopos de todos los
elementos naturales, unos emisores de electrones y otros de
positrones, con su perodo caracterstico. "Nuestros ltimos
experimentos han puesto de manifiesto un hecho sorprendente: cuan-
do una lmina de aluminio es irradiada mediante una preparacin de
polonio, la emi- sin de positrones no cesa inmediatamente despus de
separar la preparacin activa. La lmina sigue radiactiva y la emisin
de radiacin disminuye exponencialmente como si se tratara de un
radioelemento ordinario". (Palabras de Irene Curie y Frederic
Joliot)
7. Fsica Tema 3 7 2 Bachillerato Interaccin nuclear.
Radiactividad IES Portada Alta - Luis Garrido 6.- LEY DE
DESINTEGRACIN. CONSTANTE RADIACTIVA. ACTIVIDAD Supongamos que en un
instante dado existen N0 nclidos iguales y que se desintegran
mediante un solo tipo de proceso radiactivo. Al cabo de un tiempo
t, el nmero de n- clidos N que an permanecern sin desintegrar ser
proporcional al nmero inicial de nclidos N0 y al tiempo de
desintegracin t. Matemticamente lo expresamos as: t eNN = .0 (*) es
la constante radiactiva, que representa la probabilidad de
desintegracin en un se- gundo, y depende del nclido y del tipo de
desintegracin. El valor inverso de se llama vida media, ( = 1/) y
mide la duracin de un ncleo, por trmino medio, antes de des-
integrarse. La ley N N e t = 0 es de natura- leza estadstica,
aplicable cuando N0 es muy grande, y se refiere al conjunto de
ncleos, pero no a cada uno en particular; no se pue- de conocer
cules van a desinte- grarse en un segundo, aunque s podemos saber
cuntos lo harn. Perodo de semidesintegracin o semivida (T) es el
tiempo necesario para que el n- mero inicial de nclidos se reduzca
a la mitad. Por tanto, si en (*) sustituimos N por N0/2, y t, por
el perodo de semidesintegracin T: N N e T0 0 2 = ln ln N N e T0 0 2
= 2ln =T Ejemplos: min05,3Po218 = ; das1,24Th234 = ; aosRa 1600226
= Actividad radiactiva (A) de una muestra es el nmero de
desintegraciones que experi- menta la muestra por segundo, y es
igual al producto del nmero de ncleos que en un cierto t tiempo
quedan sin desintegrar (N) por la probabilidad de desintegracin en
un segundo () ; es decir: NA = . La unidad de actividad en el S.I.
es el becquerel (Bq) = 1 desintegracin / s. En radiologa se usa el
curio (Ci) = 3,7.1010 Bq. 0 T 2T 3T 4T 5T 6T N0/2 N0/4 N0/8 N0
N0/16 N0/32
8. Fsica Tema 3 8 2 Bachillerato Interaccin nuclear.
Radiactividad IES Portada Alta - Luis Garrido 7.- EFECTOS Y MEDIDA
DE LAS RADIACIONES Se llaman radiaciones ionizantes las que son
capaces de ionizar la materia con la que inciden, es decir arrancar
electrones de la corteza de sus tomos. Son radiaciones ioni- zantes
las radiaciones , , y los rayos X. Esas radiaciones ionizantes
actan sobre los organismos vivos por ionizacin de sus molculas
celulares, produciendo efectos biolgicos que dependen de la dosis
absorbida, de las condiciones en que ha sido recibida y de su
duracin. Existen dos clases de efectos biolgicos: Somticos: se
manifiestan en el individuo irradiado (cncer, leucemia); sus conse-
cuencias dependen del rgano irradiado; los daos pueden aparecer
rpidamente pa- ra dosis elevadas e instantneas. Genticos: lesionan
clulas reproductoras y pueden originar mutaciones en la des-
cendencia. Para medir los efectos de las radiaciones en los seres
vivos se tiene en cuenta la energa absorbida por unidad de masa
(dosis absorbida cuya unidad es el Gray, 1Gy = 1J/kg), el tipo de
radiacin y la naturaleza del tejido irradiado. Todo ello se engloba
en el con- cepto de "dosis efectiva" (o simplemente dosis), cuya
unidad es el Sievert (1Sv = 1J/kg), y en radiologa el rem (1rem =
10-2 Sv). Dosis efectiva de radiacin, por persona y ao (en mSv)
Radiacin Csmica 0,35 Pruebas Radiolgicas 1.00 Propio cuerpo 0,34
Exposicin profesional 0,02
9. Fsica Tema 3 9 2 Bachillerato Interaccin nuclear.
Radiactividad IES Portada Alta - Luis Garrido 8.- APLICACIONES DE
LOS RADIOISTOPOS a) En agricultura y alimentacin: Obtencin de
cultivos de alto rendimiento y produccin de especies vegetales
resis- tentes a enfermedades. Combate y erradicacin de plagas.
Mejora de sistemas de riego, comprobacin del grado de absorcin de
abonos. Conservacin de alimentos, como alternativa a la tcnica del
fro (criogenia). b) En medicina: Con fines diagnsticos, la
resonancia magntica obtiene imgenes de rganos del cuerpo humano
utilizando ncleos de tritio. Con fines teraputicos se tratan
tumores en potentes unidades de irradiacin con Co60 , de periodo de
semidesintegracin de unos cinco aos. Esterilizacin de medicamentos
y equipo instrumental mdico. c) En arqueologa y obras de arte:
Datacin de fsiles y restos arqueolgicos mediante el istopo C14 .
Restauracin de obras de arte y conservacin contra hongos y carcoma.
Verificacin de autenticidad y fecha de realizacin. d) En industria:
Obtencin de imgenes (gammagrafa) de estructuras internas para
inspeccin de soldaduras y estudio del desgaste de piezas y
engranajes. Deteccin de fugas y medidas de nivel de lquidos en
tuberas y depsitos. Medidas de espesores y densidades de lminas
plsticas, metlicas, papel... Anlisis cuantitativos de dosificacin
del agua en hormigones o en suelos. e) Generacin elctrica:
10. Fsica Tema 3 10 2 Bachillerato Interaccin nuclear.
Radiactividad IES Portada Alta - Luis Garrido En los generadores
isotpicos de electricidad las radiaciones emitidas por el radiois-
topo generan calor que se convierte en corriente elctrica mediante
termopares. Se usan en los satlites y naves espaciales, para
alimentar aparatos de observacin en lu- gares inaccesibles y en los
marcapasos. f) Como trazadores: Se introducen istopos radiactivos
en pequeas cantidades en ciertos cuerpos y se si- gue su huella o
"traza". Esta tcnica se aplica en los siguientes campos: En
metalurgia, para estudiar condiciones de deterioro de mezclas. En
hidrulica para seguir el transporte de lquidos y conducciones. En
agricultura, y en qumica para estudiar el mecanismo de reacciones.
En medicina, en tareas de deteccin, diagnstico y localizacin, pues
permiten se- guir la penetracin, fijacin y eliminacin de elementos
en el cuerpo humano: absor- cin de insulina en diabticos,
asimilacin del calcio...
11. Fsica Tema 3 11 2 Bachillerato Interaccin nuclear.
Radiactividad IES Portada Alta - Luis Garrido 9.- REACCIONES
NUCLEARES. CLASIFICACIN Una reaccin nuclear puede describirse: a X
Y b+ + , o bien ( )X a b Y, , donde X e Y son los ncleos pesados
inicial y final; a es la partcula o ncleo ligero con el que se
bombardea, y b es la partcula o ncleo ligero que se emite. En una
reaccin nuclear se conservan el nmero atmico y el nmero msico.
Podemos clasificar las reacciones nucleares en los siguientes
tipos: a) TRANSMUTACIN: a y b son partculas o ncleos ligeros
diferentes. b) DISPERSIN: a = b, X = Y, que puede ser elstica, si
el ncleo Y queda en estado normal, o inelstica si queda en estado
excitado Y* , que posteriormente puede desex- citarse por emisin .
c) FOTONUCLEAR: Si a es un fotn (rayo ). d) CAPTURA RADIACTIVA: Si
a queda absorbido por el ncleo X, y b es un fotn (rayo ). e)
PROCESO RADIACTIVO: Sin necesidad de proyectil a, el ncleo X se
desintegra, y en tal caso, b es su emisin caracterstica, e Y el
ncleo hijo que puede ser estable o a su vez inestable. f) FISIN:
Tras el impacto de a, el ncleo X se divide en dos fragmentos de
masas in- termedias. g) FUSIN: a y X son ncleos que se funden para
dar lugar a otro ncleo Y ms pesado. Observando la curva que
representa la energa media de enlace por nuclen en funcin del nmero
de nucleones (apartado 2), podemos prever que los ncleos pesados
tendern a ser ms estables partindose (fisin) en dos, de tamao
aproximadamente igual a la mitad de la masa del ncleo escindido.
Por otro lado, los ncleos ligeros tendern a unirse entre s para
formar uno ms pesado y conseguir as mayor estabilidad, dando lugar
a la fusin. Hemos de tener en cuenta que, para que se produzca
fusin o fisin, es necesario dar una cierta energa de
activacin.
12. Fsica Tema 3 12 2 Bachillerato Interaccin nuclear.
Radiactividad IES Portada Alta - Luis Garrido 10.- REACCIONES DE
FISIN Y FUSIN NUCLEAR Fisin: un ncleo pesado captura un neutrn
lento o trmico, de poca energa 1 eV (si fuese un neutrn rpido, con
energa entre 104 eV y 1MeV, el choque sera els- tico y no se
producira su captura por parte del ncleo pesado), y se escinde en
dos fragmentos de tamao comparable y aproximadamente igual a la
mitad de su masa. Por ejemplo, la fisin del 92 235 U :
neutrones32YXnU 1 0 235 92 +++ Los productos de fisin X e Y son
istopos radiactivos y pueden ser muy variados; los ms habituales
son 56 140 Ba y 36 93 Kr ; 54 140 Xey 38 93 Sr ; 58 144 Ce y 38 90
Sr . Los neutrones resultantes de la fisin son neutrones rpidos,
pero reducen su veloci- dad por choques con un moderador (grafito,
agua pesada) hacindose trmicos y produciendo nuevas escisiones en
otros ncleos, originando una reaccin en cadena. La reaccin de fisin
del 92 235 U es exotrmica, pues la masa del uranio es mayor que la
suma de las masas de los productos, existiendo por tanto un defecto
de masa al que corresponde una cierta energa que se libera.
Alrededor de la mitad de esa ener- ga se convierte en energa
cintica de los neutrones resultantes de la fisin (neutro- nes
rpidos) y en energa de los rayos gamma emitidos. Por trmino medio
se libera una energa de 208 MeV por ncleo de uranio fisionado. De
la fisin de 1 gramo de uranio se pueden obtener 24 MWh (1 MWda). Si
la energa liberada se produce en fraccin de segundos ser de modo
explosivo, dando lugar a la bomba atmica. Fusin: unin de ncleos
ligeros para dar ncleos ms pesados liberando energa en el proceso.
Por ejemplo, la reaccin de fusin de cuatro ncleos de hidrgeno para
dar un ncleo de helio: 0 1 4 2 1 1 24 ++ eHeH La fusin tiene lugar
espontneamente en el sol y en las estrellas, donde las tempera-
turas son del orden de 106 K y, consecuentemente, hay una agitacin
trmica tan elevada que permite a los ncleos de hidrgeno fusionarse,
venciendo la repulsin elctrica que hay entre ellos, para formar
ncleos de helio. En los aos cincuenta, se consigui el proceso de
fusin en cadena en forma explo- siva (bomba H). Para ello, una
explosin atmica ordinaria (de fisin) consigui las altsimas
temperaturas necesarias para lograr la fusin de dos ncleos de
deuterio, o bien cuatro de hidrgeno en un ncleo de helio. Desde el
punto de vista energtico, la fusin produce una cantidad de energa
entre siete y ocho veces mayor que la producida por fisin, a partir
de iguales cantidades de material nuclear empleado (1 1 H o 92 235
U ). Por otro lado, la fusin no contamina, no produce residuos
radiactivos y, adems, el combustible (hidrgeno) es prcticamente
inagotable. Sin embargo, a pesar de estas perspectivas tan
favorables, el proceso todava no est controlado a gran escala. Las
principales dificultades prcticas para conseguir la fusin son: -
Lograr las altas temperaturas necesarias, lo que requiere una fisin
previa. - Mantener aislada la masa de reaccin, para lo que se
ensaya con confinamien- to magntico
13. Fsica Tema 3 13 2 Bachillerato Interaccin nuclear.
Radiactividad IES Portada Alta - Luis Garrido 11.- REACTORES
NUCLEARES Son dispositivos destinados a mantener una reaccin
controlada de fisin en cadena, con la consiguiente produccin de
energa cintica que en ltimo trmino se libera en forma de calor. Un
reactor consta de los siguientes elementos: a) NCLEO, donde se sita
el combustible ( UUU 239238235 ,, ) b) MODERADOR de neutrones
rpidos, como grafito, agua pesada; no existe en los reactores
rpidos que funcionan con neutrones rpidos. c) REFLECTOR de
neutrones, material que rodea el ncleo evitando la salida de neu-
trones al exterior. d) REFRIGERANTE o extractor del calor
producido: CO2 , H2O, D2O, sodio lquido, y en general sustancias
poco absorbentes de neutrones. e) ELEMENTOS DE CONTROL Y SEGURIDAD,
consistentes en unas barras de cad- mio o boro, fuertes absorbentes
de neutrones, que introducidas a voluntad en el n- cleo regulan la
reaccin de fisin e incluso pueden detenerla. f) BLINDAJE del
reactor para proteger el exterior de emisiones radiactivas. Los
reactores nucleares pueden clasificarse segn: a) El MATERIAL
FISIBLE reactores de uranio; plutonio; urano enriquecido... b) La
DISPOSICIN DEL COMBUSTIBLE Y MODERADOR reactores homog- neos, si el
combustible est disuelto en el lquido moderador, y la disolucin
hace de refrigerante; reactores heterogneos, si el combustible
(uranio envasado en vainas) est rodeado por el moderador. c) La
VELOCIDAD DE LOS NEUTRONES EMPLEADOS reactores rpidos y reac- tores
trmicos (lentos). d) El MODERADOR UTILIZADO reactores de agua
ligera, agua pesada, grafito. e) Las APLICACIONES reactores de
potencia, para producir energa elctrica; reac- tores de
investigacin, para obtener neutrones que se usarn en la produccin
de ra- dioistopos. El llamado Reactor Reproductor (o reactor
rpido), no utiliza moderador para los neu- trones, y el combustible
de la zona central se rodea de uranio empobrecido (rico en 238 U ),
que se va convirtiendo en 239 Pu (fsil) al ser alcanzado por los
neutrones rpi- dos, producindose simultneamente energa y
combustible nuevo.
14. Fsica Tema 3 14 2 Bachillerato Interaccin nuclear.
Radiactividad IES Portada Alta - Luis Garrido ESQUEMA DE UNA
CENTRAL NUCLEAR TIPO BWR (agua en ebullicin) 1 Ncleo 5 Vasija 9
Condensador 2 Barras de control 6 Turbina 10 Agua de refrigeracin 3
Separador 7 Alternador 11 Contencin primaria de acero 4 Vapor 8
Bomba de condensado 12 Contencin de hormign armado ESQUEMA DE UNA
CENTRAL NUCLEAR TIPO PWR (agua a presin) 1 Ncleo 5 Vasija 9
Condensador 2 Barras de control 6 Turbina 10 Agua de refrigeracin 3
Generador de vapor 7 Alternador 11 Contencin de hormign armado 4
Presionador 8 Bomba de condensado
15. Fsica Tema 3 15 2 Bachillerato Interaccin nuclear.
Radiactividad IES Portada Alta - Luis Garrido 12.- PROBLEMAS QUE
PLANTEA LA ENERGA NUCLEAR Problemas tecnolgicos, pues si bien los
principios en que se basa el proyecto de un reactor estn bien
establecidos, quedan aspectos tcnicos no bien resueltos como la ob-
tencin de elevadsimas temperaturas mediante el cambiador de calor,
para obtener ma- yor eficiencia trmica (de la energa trmica
producida en el ncleo del reactor, hasta la salida en bornes del
generador elctrico slo hay un 30 % de rendimiento). Problemas de
seguridad, que se deben al riesgo determinado por las radiaciones y
, y los neutrones procedentes de la los productos de fisin, creados
en el interior del reac- tor, o en los envases de uranio. Tales
radiaciones persisten mucho tiempo despus de que el reactor deje de
funcionar e incluso despus de descargar los elementos combusti-
bles; por tanto, el personal encargado debe trabajar protegido y
utilizando servomeca- nismos a distancia. El reactor debe asimismo
estar protegido y blindado por paredes de hormign, lo que
incrementa su peso y dimensiones, representando una gran dificultad
para proyectar un ingenio nuclear mvil (barcos, aviones, etc.). Por
otra parte, los lquidos y los gases que circulan a travs del
reactor (refrigerantes) corren el riesgo probable de convertirse en
radiactivos y, por tanto, todo el equipo debe ser estanco para
evitar cualquier escape. Finalmente, los residuos slidos (cenizas
radiactivas) deben ser almacenados en bido- nes que se entierran en
pozos profundos o en minas de sal. Estos procedimientos pueden
constituir en el futuro un serio problema de contaminacin
radiactiva si se produjesen terremotos o filtraciones. Podra
decirse que el riesgo de utilizar la energa nuclear se debe al
imperfecto cono- cimiento de la materia bajo las condiciones en que
se encuentra en el seno de un reac- tor nuclear.
16. Fsica Tema 3 16 2 Bachillerato Interaccin nuclear.
Radiactividad IES Portada Alta - Luis Garrido 13.- LA ENERGA
NUCLEAR EN ESPAA Espaa cuenta con un total de diez instalaciones
nucleares: Seis centrales Almaraz I y II (Cceres), Asc I y II
(Tarragona), Vandells II (Ta- rragona), Cofrentes (Valencia), Sta.
Mara de Garoa (Burgos), Trillo (Guadalajara), - que forman un total
de ocho grupos nucleares (Con reactores PWR, excepto Sta. Mara de
Garoa y Cofrentes que son BWR). Una fbrica de combustible nuclear
Juzbado (Salamanca) Un centro de almacenamiento de residuos
radiactivos de baja y media actividad en El Cabril (Crdoba).
Estructura de la produccin de electricidad en Espaa en 2010 Elica
15% Hidrulica 13% Fsil 35% Nuclear 21% Biomasa y solar 16%