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TEMA. Fisión Nuclear

Fuente de energía Química Fisión Nuclear Fusión

Reacción ejemplo C+O2 →CO2 n+U235→Ba143+Kr91+2n H2+H3→He4+n

Combustible Carbón UO2 (3%U235+97%U238) Deuterio+Litio

Temperatura (K) 700 1.000 100.000.000

Energía liberada (MWd) por kg de Fuel

0,00028

(carbón)

800

(reactor fisión)

3.870

(reactor fusión)

Eficiencia (E/mc2) 0,00000003% 0,002% 0,4%

¿ Por qué es importante la energía nuclear de fisión /fusión ?

¿ Qué diferencias hay entre fisión nuclear y fusión nuclear ?

¿ Cómo es el proceso de extracción de energía ?

Y el futuro: Seguridad Nuclear, Residuos, Proliferación, …

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1. Concepto básicos

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Propiedades de los núcleos: Isótopos

6C14

Símbolo químico del Carbono

Número másico=AProtones(Z)+Neutrones(N)Número Protones(Z)

Isótopos: Son núcleos con el mismo Z pero distinto A

Ejemplo: 92-U-235 y 92-U-238

El tamaño del núcleo es una función empírica: R~1.2x10-15 A1/3 m

El núcleo de los átomos está formado por nucleones: protones y neutrones

Los núcleos pueden ser:

Estables: Estado de mínima energíaInestables: Por exceso de nucleones, o por poseer energía de excitación

- Naturales- Artificiales

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La masa del núcleo:

• Se mide relativa a la masa del C12, que se define la masa de C12= 12 uma Siendo: 1 uma = 931.5 MeV/c2. Además: 1eV=1,6x10-19 J

Masa del protón: 1.007825 uma = 938.27 MeV/c2

Masa del neutrón: 1.008665 uma = 939.57 MeV/c2

Masa de hidrógeno = 938.78 MeV/c2 (= mp+me-)

Sin embargo: Masa del núcleo ≠ Z*mp+N*mn

Masa de los núcleos: Energía de Ligadura

Ejemplo: 26Fe56 donde : Z=26, A=56, N=30Masa (26Fe56)=55.92066 uma < 26*1.00782+30*1.00867=56.46342 uma

Energía de ligadura: (Blig)

• Se define: Defecto de Masa = M= (Z*mp+N*mn)-(Masa del Núcleo)

• Eligadura=M*c2

Definición:

- Es la energía liberada al romper los núcleos en sus componentes elementales- La energía desprendida al formar los núcleos a partir de sus componentes

Para el (26Fe56): Blig =505.58 MeVLa energía de ligadura media por nucleón= 505.58/56=9.08 MeV/nucleón

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La energía de ligadura media por nucleón

La energía de ligadura media por nucleón indica ESTABILIDAD, cuanto mayor sea su valor más estable se encuentra el núcleo

Fisión Nuclear: Se puede liberar energía “fisionando” núcleos pesados en núcleos más ligeros.

Reactor de fisión para producir energía eléctrica

Bombas de fisión (Hiroshima, Nagasaki)

Fusión Nuclear: Se puede liberar energía “fusionando” núcleos ligeros para formar núcleos más pesados:

El sol Reactores futuros de fusión Bombas termonucleares

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Estabilidad Nuclear: Fuerzas Nucleares

• Para A<40 los nucleidos estables tienen una relación N/Z=1

• Para A>40 la estabilidad se alcanza con N/Z=1.7

Se requieren más neutrones para mantener los núcleos estables (mayor aporte de fuerza de corto alcance o fuerza fuerte), ya que cuanto mayor es el número de protones mayor será la repulsión culombiana en el núcleo

Figura. Curva de estabilidad (270 isótopos estables)

Las Fuerzas Nucleares son las fuerzas de cohesión entre los nucleones del núcleo

Tipo: (n-n, n-p, p-p)

Propiedades de las fuerzas nucleares-Gran intensidad-Corto alcance -Independientes de la carga eléctrica

Fuerzas Intensidad

Nuclear 1

Culombiana 10-2

Débil 10-12

Gravitacional

10-45

Curva de estabilidad

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Conceptos de radioactividad

Desintegración alfaRuptura del núcleo y emisión de una partícula alfa (núcleo de He4):

Desintegración gammaEmisión de radiación electromagnética

Z

N

5 6 7 8 9 10

4

5

6

7

8

9

“La emisión de radiación es debida a la búsqueda de estabilidad del isótopo”

Estos núcleos inestables, tienden con el tiempo a estabilizarse, mediante la emisión de ciertas radiaciones.

HePbPo 42

20682

21084

Emisión de neutrones

Desintegración beta (emisión de electrones)Para los isótopos del mismo A, existe un isótopo con mayor estabilidad. De manera que estos isótopos tiende hacia ese isótopo intercambiando:

- Protones por neutrones (captura electrónica y beta+)- Neutrones por protones (beta-)

8

, 4.591 MeV 5.7%

, 4.77 MeV 94.3%

, 0.186 MeV (35% -)*

222Rn

226Ra

1) Desintegración alfa (2He4)

Pared de tejidoCélulas

Átomo de Helioneutro

30 micras

Partícula alfa

Pares de ionesProducidos por ionización

Figura: Ejemplo de desintegración alfaFigura: Penetración de la radiación alfa en tejido. En aire ~ cm

Figura: Esquema de energías

Las partículas alfa () son núcleos de He4 (2n-2p)• Se produce con isótopos muy pesados• Se emiten partículas alfa con energía discreta• Gran pérdida de energía del átomo

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2) Desintegración - (electrones): “por exceso de neutrones”

13 H

23 H e 1

0

00

Nº de -

Energía de -

E max

Espectro de emisión de una fuente -

ß, 3.55 MeV 82% ß-, 2.04 MeV

18%

, 1.153 MeV

42Ca

42K

Figura. Ejemplo de transición energética: -

Figura. Ejemplo de desintegración - :

Tritio (1-H-3)

Figura. Ejemplo de desintegración - :

Neutrón

10

3) Desintegración + (positrón) : “por exceso de protones”

Na2211

Ne2210

01

00

00

01

10

11

00

01

2210

2211

np

NeNa

c.e. 10.2%ß+, 0.544 MeV 89.8%

, 1.277MeV

22Ne

22Na

• El positrón es un electrón con carga positiva (anti-materia)

Figura. Ejemplo de desintegración + :11-Na-22

Figura: Esquema de energías

Sin embargo, el PROTÓN, es estable: “El núcleo de Hidrógeno”

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3) Captura electrónica: “por exceso de protones”

• La emisión del positrón requiere una diferencia de masas mayor de 2*me

00

10

01

11 nep

X-ray (K)

Pd10346

Rhm10345

00

10345

01

10346 RhePd m

Figura. Ejemplo de captura electrónica :46-Pd-103

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4) Transición isomérica

*13154 Xe Xe131

54

00

00

13154

*13154 XeXe

Nº de

Energía de

Figura. Espectro de emisión discreto de energías

Figura. Ejemplo de transición isomérica :54-Xe-131

La energía de la radiación gamma (), es energía en forma de radiación electromagnética:

E= h= h*c/

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Leyes de desintegración

La desintegración de un isótopo radioactivo tiene una ley de probabilidad:

p(decaer en un tiempo t)=*t

Con , la constante de desintegración [s-1]

Para una concentración inicial de nucleidos N, la variación de núcleos: N=-N**t

Expresión general: N/t=-*N

Integrando esta ecuación: N(t)=N0 e-*t

Una característica de esta ecuación es que tras un periodo de tiempo fijo el número denúcleos ha decaído una cantidad constanterespecto a la concentración inicial.

De hecho, se define: Periodo de semidesintegración: Tiempo en el que la concentración se reduce a la mitad

N0/2=N0*e-(*) T1/2=ln2/[s]

T1/2 2T1/2 4T1/23T1/2

Ley de desintegración

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

N/N

(0)

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Radioactividad natural: La radioactividad es un fenómeno natural

Elemento pCi/persona

U 2,5

Ra-226 40-300

Ra-228 100

Pb-210 -

K-40 100.000

C-14 100.000

H-3 1.000

Tabla.Contenido de

elementos radiactivos en el cuerpo humano

en pCi/persona

Tabla.Contenido de

radionucleidos en el agua de los océanos

en pCi/litro

Elemento pCi/litro

U 2,2

Ra-226 0,08

Rb-87 2,9

Th-232 0,002

K-40 320

C-14 0,6

H-3 0,03

(1 pCi=0,037 Bq)La radiactividad es un fenómeno bien conocido por la ciencia.

Se mide en:

Bequerelio [Bq], es el número de desintegraciones por unidad de tiempo (segundo) de un isótopo

Expresión general de la radiactividad [Bq]A=|DN/Dt|=*N [desintegraciones/s]

Se define 1Ci=3,7x1010 Bq

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e -e - e -

e -

e -

e - e -

e -

e -

e -

e -

e -

e -e -

e -

e -

e -

e -

e -

e -

e -e -

e -

e +

alfa ()

beta (-)

positrón (+)

ionización

ionización

Ionización y radiación de aniquilación

Radiación de aniquilación0.511 MeV

Radiación de aniquilación0.511 MeV

Interacción de partículas cargadas

El alcance o penetración de -:• Si E=1 MeV, el alcance en aluminio 0,14 cm• Si E=1 MeV, el alcance en aire 3,7 m

El alcance o penetración de :•Si Ees 7,7 MeV, el alcance en aire es: 6,1900 cm•Si Ees 7,7 MeV, el alcance en agua de: 0,0069 cm

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Neutrones rápidos

Neutrones térmicos

Dispersión elástica del núcleoY producción de núcleos de retorceso

difusiónAbsorción con Reacción (n,)

fotón

Núcleo de retoceso

Núcleo de retroceso

Núcleo de retroceso

e -

e -

e -

e -

fotones

Interacciones con partículas sin carga

Efectos fotoeléctrico, compton y creación de pares