Energia Nuclear

Colegio Alemán de Córdoba ENEGIA NUCLEAR: FISIÓN Y FUSIÓN Integración

Joaquín Flores Vittorio Gissara Alejandro Marzini Luciano Pelliza Profesor Mariela Duarte

Córdoba Argentina 2008

Índice 1. Introducción 2. Energía Nuclear 3. Fisión Nuclear 3.1 Reacción en cadena 3.2 Masa crítica 3.3 Moderadores 3.4 Efectos de los isótopos 3.5 Reactores nucleares 4. Fusión Nuclear 4.1 Como lograr la fusión nuclear 4.1.1 Confinamiento magnético 4.1.2 Confinamiento inercial 5. Radiación Nuclear 5.1 Partículas alfa 5.2 Partículas beta 5.3 Rayos gamma 6. Conclusión 7. Bibliografía

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1. Introducción En este trabajo se procederá a explicarse las reacciones nucleares de fisión y fusión, y de que manera estas producen la energía nuclear. Se procederá en la obra explicando estas reacciones, en que consisten, como se producen y como se desarrollan. 2. Energía Nuclear La energía nuclear es aquella energía producida por las reacciones nucleares. Existen dos formas de generar energía nuclear: por fisión y por fusión. La energía nuclear está contenida en el interior de cada átomo, que a su vez es lo que permite que las partículas nucleares permanezcan unidas. Hasta el siglo XIX, los físicos que estudiaron la materia planteaban que la energía de una partícula estaba determinada por la velocidad que ella tenía. Sin embargo, Albert Einstein planteó que las partículas tenían energía independientemente de la velocidad que llevaran. Esto fue el origen de la era nuclear. Einstein explicó matemáticamente su postulado con la siguiente fórmula matemática E=mc2. La energía de un cuerpo en reposo es equivalente a la masa en reposo de ese cuerpo multiplicado por la velocidad de la luz al cuadrado. Esta fórmula demuestra la cantidad de energía liberada de estos fenómenos y posibilitó que se desarrollaran y estudiaran artificialmente. 3. Fisión Nuclear La fisión nuclear es la división de un núcleo atómico pesado (normalmente uranio o plutonio, pero pueden ser otros y además no ser pesados) en dos o más fragmentos causado por el bombardeo de neutrones, con la liberación de una enorme cantidad de energía, varios neutrones y otros subproductos. Estos subproductos son fotones (rayos gamma), partículas alfa (núcleos de helio) y partículas beta (electrones y positrones). Cuando las partículas que forman el núcleo del átomo son separadas por una fuerza externa, se libera gran cantidad de energía, en forma de luz y de calor. Cuando la liberación de la energía se produce de golpe, genera una enorme explosión. Esto pasa con las bombas atómicas. Pero en una planta de fisión nuclear, los núcleos de los átomos de uranio se separan mediante una reacción en cadena controlada. Ello permite que la liberación de energía se realice lentamente y así aprovechar la energía generada.

3.1.Reacción en cadena La reacción en cadena se produce de la siguiente manera: al fisionarse un núcleo, bombardeándolo normalmente con neutrones (también pueden ser protones u otras partículas), este (el núcleo) desprende las partículas antes mencionadas (beta, gamma, etc.), fotones y neutrones libres que escapan en direcciones al azar y golpean otros núcleos, produciendo nuevas fisiones. Como cada fisión lanza 2 o más neutrones, y estos neutrones provocan otras fisiones, el proceso se extiende rápidamente y causa la reacción en cadena. 3.2.Masa crítica La masa crítica es la cantidad mínima de material fisionable que se requiere para que se produzca una reacción nuclear en cadena. Esta depende de su densidad y de su forma (esférica, cuadrada, etc.). Al salir los neutrones producidos por la fisión en todas direcciones, es mucho más probable que si los neutrones pueden alcanzar otros núcleos rápidamente, se logre una mayor reacción en cadena, que si no los neutrones no tienen tantos núcleos cerca. Por eso, los materiales más densos, lograrán una mayor reacción en cadena. Además los de forma esférica son los más óptimos, ya que más de otra forma, habría más neutrones que volarían por la superficie lejos del material fisionable. 3.3.Moderadores Los moderadores son materiales que sirven para “moderar” la velocidad del los neutro libre y así lograr una fisión correctamente. Con sólo juntar uranio no es suficiente para comenzar una reacción en cadena. Los neutrones son emitidos por un núcleo en fisión a una velocidad muy elevada. Esto significa que los neutrones escaparán del núcleo antes de que tengan una oportunidad de golpear cualquier otro núcleo. Solamente a una velocidad lenta del neutrón se puede inducir una reacción de fisión. Así pues, tenemos cuatro velocidades de neutrones: •

Un neutrón rápido se escapará rápidamente del material antes de chocar con el núcleo

•

Un neutrón de velocidad mediana será capturado por el núcleo y cambiará el material en un isótopo, pero no producirá la fisión.

•

Un neutrón de movimiento lento provocará fisión.

•

Un neutrón muy lento será capturado o escapará, pero tampoco causará fisión.

En los primeros años del descubrimiento de la fisión, la manera acostumbrada de retrasar los neutrones era hacerlos pasar a través de un material de peso atómico bajo, como algún material hidrogenoso. En los años 30 se les ocurrió a un número de físicos la posibilidad de mezclar el uranio con un moderador: si estuvieran mezclados correctamente, los neutrones de alta velocidad de la fisión podrían ser retrasados al rebotar de un moderador a la velocidad correcta para producir la fisión en otros átomos de uranio. Las características de un buen moderador son: peso atómico bajo, y baja o nula tendencia a absorber los neutrones. Los moderadores posibles con estas condiciones son entonces el hidrógeno, helio, litio, berilio, boro, y carbono. El litio y el boro absorben los neutrones fácilmente, así que se excluyen. El helio es difícil de utilizar porque es un gas y no forma ningún compuesto. La opción de moderadores estaría entonces entre el hidrógeno, deuterio, el berilio y el carbono. Enrico Fermi y Leó Szilárd propusieron primero el uso de grafito (una forma de carbono) como moderador para una reacción en cadena. El deuterio es el mejor tecnológicamente (agua pesada), pero el grafito es mucho más económico. 3.4.Efectos de los isótopos El uranio natural esta compuesto por tres isótopos: U-234 (0,006%), U-235 (0,7%), y U-238 (99,3%). La velocidad requerida para fisionarse es diferente para cada isótopo. El U-238 tiende para capturar los neutrones de velocidad intermedia (creando U-239, sin fisión que posteriormente se transforma en Plutonio-239 que también es fisionable). Los neutrones de alta velocidad tienden a tener colisiones inelásticas con el U-238, que sólo desaceleran a los neutrones. Entonces, U-238 tiende tanto a reducir la velocidad de los neutrones rápidos como a después capturarlos cuando consiguen a una velocidad intermedia. Por su capacidad de producir material fisionable a este tipo de materiales se les suele llamar materiales fértiles. El U-235, se fisiona con una gama mucho más amplia de velocidades de neutrones que el U-238. Puesto que el U-238 afecta a muchos neutrones sin producir la fisión, tenerlo en la mezcla es malo para promover la fisión. Entonces, si separamos el U-235 del U-238 y desechamos el U-238, promovemos una reacción en cadena. En realidad, la probabilidad de la fisión del U-235 con neutrones de alta velocidad puede ser lo suficientemente alta como para hacer

que el uso de un moderador sea innecesario una vez que se haya quitado el U238. Sin embargo, el U-235 está presente en uranio natural solamente en cantidades muy reducidas (una parte por cada 140). La diferencia relativamente pequeña en masa entre los dos isótopos hace, además, que su separación sea difícil. La posibilidad de separar U-235 fue descubierta con bastante prontitud en el proyecto Manhattan, lo que tuvo gran importancia para su éxito. 3.5.Reactores nucleares Los reactores de fisión (los más usuales) provocan explosiones nucleares controladas para que mediante la energía calórica que genera se pueda calentar agua que a vez se transforma en vapor y el vapor mueve turbinas conectadas a un generador eléctrico. Es lo mismo que la energía termoeléctrica, solo que se utiliza uranio en vez de gas. 4. Fusión Nuclear La fusión nuclear se produce cuando dos núcleos atómicos, normalmente ligeros, se unen para formar uno de mayor peso atómico. No debe confundirse con “fusión” de “fundir”, que hace referencia a algo que se derrite. El núcleo resultante de la fusión tiene una masa inferior a la suma de las masas de los dos núcleos que se han fusionado para formarlo. Esta diferencia se libera en forma de energía. Esta energía que se libera depende de los núcleos que se unen y del producto de esta reacción. De todos modos, la energía liberada corresponde a la fórmula E = mc², donde m es la diferencia de masa observada en el sistema entre antes y después de la fusión y c es la velocidad de la luz (300.000 km/s). La fusión nuclear se produce naturalmente en las estrellas, que es lo que provoca la gran cantidad de irradiaciones y energía que liberan. Además, la fusión nuclear es la base de la bomba de hidrógeno, la bomba más potente. La fusión nuclear es mucho más difícil de realizar, y de mantener, debido a que los núcleos atómicos se repelen ya que están cargados positivamente, de forma que cuanto más cerca estén más intensa es la fuerza repulsiva. Esto provoca que la fusión sólo pueda ocasionarse en condiciones de altas temperaturas, del orden de millones de grados, y a presión también muy elevadas que logren romper la fuerza de repulsión de los núcleos.

El proceso de fusión más simple y sencillo (el que menos energía requiere) es entre el deuterio (2H) y el tritio (3H), formando helio. Además, se encuentra en un 0,15% deuterio en el hidrógeno, y el tritio se puede extraer del litio, muy abundante en el agua, por lo que no hay problemas en cuanto a estas materias primas. Mientras más pesado sea el material a fusionar, más energía se requerirá para iniciarla y mantenerla, por lo que lo más rentable, en términos de producir energía, es usar elementos ligeros, de bajo peso atómico. Además, estos materiales ligeros son no radioactivos, y la fusión nuclear no produce contaminantes o productos radioactivos, por

lo que se la considera

como una reacción limpia. Por esto es una de las energías más estudiadas para producir electricidad.

4.1. Como lograr la fusión nuclear La gran problemática de la fusión nuclear es la enorme cantidad de energía requerida para comenzar la reacción y para mantenerla y controlarla durante un tiempo para obtener energía. Todavía no se ha desarrollado alguna forma, para producir electricidad rentablemente, por estos grandes requerimientos iniciales. En estos últimos tiempos se está experimentado con dos formas de conseguir la energía nuclear de fusión, el confinamiento magnético y el confinamiento inercial. La investigación actual se está inclinando más por el confinamiento magnético, habiéndose descubierto recientemente un nuevo método para mantener la reacción, cambiando el campo magnético de la forma cilíndrica a otra aproximadamente en forma de cuerno de toro. 4.1.1.Confinamiento magnético Se consigue crear y mantener la reacción gracias a grandes cargas magnéticas que hacen las veces de muros de contención de las cargas nucleares, que mantienen a los materiales de la fusión en estado de plasma confinado dentro de estas barreras magnéticas. 4.1.2.Confinamiento inercial El calentamiento se consigue con láseres de gran potencia y el confinamiento del plasma con la propia inercia de la materia. Este plasma se contiene por muy poco

tiempo,

reacciones.

pero

a

densidades

muy

altas,

así

produciéndose

muchas

5. Radiación Nuclear La

radiación

es

la

propagación

de

energía

en

forma

de

ondas

electromagnéticas o partículas subatómicas. Hay dos tipos de radiación, radiación electromagnética,

de

forma

de

ondas

electromagnéticas,

y

la

radiación

corpuscular, en forma de partículas. La radiación nuclear se compone por tres tipos de radiaciones: alfa, beta y gamma. Estas se producen en algunos procesos de fusión y fisión nuclear, y a la vez son parte del proceso de desintegración de los elementos inestables radioactivos, ya sea de manera artificial como natural.

5.1. Partículas alfa Las partículas o rayos alfa son núcleos de Helio, completamente ionizados, es decir sin electrones. Están formados por 2 protones y 2 neutrones. Son positivos, al no tener electrones Habitualmente se producen en reacciones nucleares o en desintegración radiactiva de elementos radioactivos que se convierten en elementos más ligeros al perder protones y neutrones. No tienen gran capacidad de penetración, y pierden rápidamente su energía cinética, al ser demasiado grandes para pasar por diversos materiales. 5.2.Partículas beta Las partículas beta son electrones o positrones con alta carga energética y alta velocidad, que normalmente se producen por reacciones nucleares, o por desintegración de materiales radioactivos. Todavía no hay gran uso de estas partículas para la producción de energía, pero se prevé que podrían ser usadas para generar electricidad, ya que son electrones. 5.3.Rayos gamma Los rayos gammas son un tipo de radiación electromagnética, compuesta de fotones aún más energéticos que la luz visible, producida generalmente por elementos radioactivos o procesos de fisión y fusión nuclear. Debido a las altas energías que poseen, los rayos gamma constituyen un tipo de radiación capaz de penetrar en la materia más profundamente que la radiación alfa o beta. Los rayos gamma se producen en la desexcitación de un núcleo de un nivel excitado a otro de menor energía y en la desintegración de isótopos radiactivos.

La radiactividad gamma se encuentra en nuestro entorno natural, desde los rayos cósmicos, que nos bombardean desde el sol y las galaxias de fuera de nuestro Sistema Solar, hasta algunos isótopos radiactivos que forman parte de nuestro entorno natural. 6. Conclusión La energía nuclear es una inmensa fuente de energía renovable y abundante para la humanidad. Si bien la fisión es contaminante, la fusión esta prevista a ser la fuente de energía del futuro, gracias a que es limpia y los materiales necesarios son muy abundantes. Además, las radiaciones de los núcleos actualmente son muy utilizadas en cada vez más procesos, que van desde esterilización hasta ayudar contra el cáncer. No debemos tener miedo de desarrollar y utilizar estas fuentes, aunque sean altamente destructivas, ya que son mucho más rentables y eficaces que otras.

Bibliografía •

Paul G. Hewitt, Física Conceptual

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Enciclopedia Británica Hispánica

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http://www.cienciapopular.com/n/Ciencia/Fusion_Nuclear/Fusion_Nuclear. php

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http://www.sagan-gea.org/hojared_radiacion/paginas/Fusion.html

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http://www-sen.upc.es/fusion/fusexpo/fusio.htm

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http://www.wikipedia.org/