TEMAS DE FÍSICA Y QUÍMICA
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www.eltemario.com © Antonio Abrisqueta García, 1999 Oposiciones Secundaria – Física y Química Temario Específico – Tema 37 TEMAS DE FÍSICA Y QUÍMICA (Oposiciones de Enseñanza Secundaria) ------------------------------------------------------------------------------TEMA 37 ENERGÍA NUCLEAR. PRINCIPIO DE CONSERVACIÓN MASA-ENERGÍA. FISIÓN Y FUSIÓN NUCLEAR. SU UTILIZACIÓN. SITUACIÓN ACTUAL. PROBLEMÁTICA DE LOS RESIDUOS NUCLEARES. Esquema 1. Energía nuclear. Conservación de la masa-energía. 1.1. Energía de enlace nuclear. Defecto másico. 1.2. Energía de ligadura por nucleón. 2. Fisión nuclear. 2.1. Producción de elementos transuránicos. 2.2. Reacciones de fisión nuclear. 2.3. Energía del proceso de fisión. 2.4. Teoría del proceso de fisión. 2.4.1. Teoría de Bohr-Wheler. 2.4.2. Condiciones para la fisión. 2.5. Emisión de neutrones en la fisión. 2.5.1. Clasificación de los neutrones emitidos. 2.6. La fisión nuclear como fuente de energía. 2.6.1. Reacciones en cadena espontáneas y controladas. 2.6.2. La bomba atómica. 2.7. El reactor nuclear. 2.7.1. Condiciones de la reacción en cadena. 2.7.2. Masa crítica de fisión. 2.7.3. Elementos del reactor nuclear. 2.7.4. Clasificación de los reactores. 2.7.5. Reactores nucleares térmicos. El ciclo de neutrones. 3. Fusión nuclear. 3.1. Producción de energía en las estrellas. Mecanismos. 3.1.1. Cadena de protones y Ciclo del carbono-nitrógeno. 3.2. Fusión de núcleos ligeros. 3.2.1. La bomba de hidrógeno. 4. Situación actual de la energía nuclear. 4.1. Reactores nucleares de fusión. Confinamiento del Plasma. 5. Residuos nucleares. 5.1. Naturaleza y eliminación de los residuos nucleares. 5.2. Repercusión sobre la salud pública. 1/29 www.eltemario.com © Antonio Abrisqueta García, 1999 Oposiciones Secundaria – Física y Química Temario Específico – Tema 37 TEMA 37 ENERGÍA NUCLEAR. PRINCIPIO DE CONSERVACIÓN MASA-ENERGÍA. FISIÓN Y FUSIÓN NUCLEAR. SU UTILIZACIÓN. SITUACIÓN ACTUAL. PROBLEMÁTICA DE LOS RESIDUOS NUCLEARES. 1. ENERGÍA NUCLEAR. CONSERVACIÓN DE LA MASA-ENERGÍA El núcleo atómico constituye el centro del átomo en los modelos de Rutherford y de Bohr, contiene prácticamente toda la masa del átomo, posee carga positiva y se caracteriza por dos parámetros básicos, que son: - El número másico, A, que es el número entero más próximo a la masa atómica del átomo y se mide en UMA. Representa el número de nucleones (protones+neutrones) del núcleo. - El número atómico, Z, es el número de cargas positivas (número de protones) del átomo que es igual al número de cargas negativas (electrones) en el átomo neutro. 1.1. Energía de enlace nuclear. Defecto másico. Las masas atómicas de los núclidos podrían suponerse, en principio iguales a la suma de las masas de las partículas constituyentes, protones más neutrones, es decir: Z .m p + N.mn sin embargo, las masas obtenidas experimentalmente con el espectrógrafo de masas resultan menores que las calculadas teóricamente por la expresión anterior. Esta pérdida de masa, ocurrida aparentemente al unir las partículas individuales para formar el núclido, llamada defecto másico, representa, en términos de energía, la energía de enlace del núcleo o energía de ligadura. El defecto másico contradice el principio de conservación de la masa pues la masa desaparecida se ha transformado en la energía de ligadura que une a los nucleones. Aplicando la ecuación de Einstein, de equivale ncia de la masa y la energía, que se expresa así: ∆E = ∆m.c 2 (1) el defecto másico ∆m, equivale a la energía correspondiente a la ligadura de un cierto número de protones y neutrones para formar el núcleo: ∆m = Z .m p + N .mn − M núcl. (2) y como resulta más fácil de medir las masas atómicas: ∆m = Z .mH + N .mn − M núcl. (3) siendo: mH= 1'008142 uma mp = 1'007593 uma mn = 1'008982 uma me = 5'4876.10-4 urna mp /m e = 1836'13 El defecto másico expresado en unidades de energía será: ∆E ( MeV ) = 931 × [Z .mH + N .mn − M núcl. ] (4) ecuación que expresa la energía de enlace nuclear o energía de ligadura del núcleo, la energía que llamamos comúnmente Energía Nuclear. 2/29 www.eltemario.com © Antonio Abrisqueta García, 1999 Oposiciones Secundaria – Física y Química Temario Específico – Tema 37 1.2. Energía de ligadura por nucleón. Para obtener la energía de ligadura por nucleón, ∆E/A, se divide la energía dada por (4) entre el número másico (A) y la representación gráfica de esta magnitud para todos los núclidos conocidos se indica en la fig.1. De ella se deduce que la energía de ligadura por nucleón oscila entre 7'5 y 8'5 MeV para todos los núclidos a partir del C-12 obteniéndose un valor máximo alrededor del núclido de A=50, a partir del cual, desciende lentamente hasta 7'5 MeV para el Uranio. FIG. 1 Los primeros términos hasta el C-12 presentan fuertes oscilaciones siendo el valor máximo el del He-4 con 7'07 MeV. A mayor energía de ligadura por nucleón, mayor estabilidad nuclear, lo que indica que los núclidos más estables, a excepción del He-4 se encuentran alrededor del Fe-56. La energía nuclear es extraordinariamente elevada en comparación con las energías de enlace químico, las cuales se ponen de manifiesto en las reacciones químicas como combustión, síntesis o descomposición de compuestos. Así 1 MeV/nucleón equivale aproximadamente a 2'31.1010 Kcal/Kg ≅ 26700 kwh/g, lo que indica la elevada magnitud de las fuerzas nucleares que mantienen unidos a los nucleones, en comparación con las fuerzas de enlace entre átomos (enlace químico) que suponen energías del orden del eV, por ejemplo: H-H 4'18 eV, C-H 5'08 eV. 2. FISION NUCLEAR 2.1. Producción de elementos transuránicos. El descubrimiento de la fisión nuclear fue una de las consecuencias de los intentos realizados para producir elementos transuránicos (elementos de número atómico superior a U-92) mediante reacciones (n,γ) seguidas de desintegraciones del núcleo residual. En el año 1934, Enrico Fermi sugirió la posibilidad de que el bombardeo del Uranio con neutrones originará nuevos elementos con número atómico superior al del uranio. Si el U-238 captura un neutrón se producirá la siguiente reacción nuclear: 238 1 239 239 92 U +0 n → 92 U → 92 U + γ [ ] − El 239 92 U sufriría una desintegración β y daría lugar a un núclido de Z=93, isótopo de un elemento hasta entonces desconocido. Como los primeros experimentos realizados demostraron que al bombardear el uranio con neutrones, se detectaban cuatro actividades distintas, se pensó que una de ellas estaría probablemente asociada con el 239 92 U e incluso se creyó posible que este nuevo elemento de Z=93, se desintegraría también con emisión β− dando lugar a un núclido de Z=94. La identificación de estos elementos presentó muchas dificultades, hasta que 3/29 www.eltemario.com © Antonio Abrisqueta García, 1999 Oposiciones Secundaria – Física y Química Temario Específico – Tema 37 en 1940, se demostró que el bombardeo de 238 92 U con neutrones lentos se produce cier- tamente e isótopo 239 92 U que emite electrones con un periodo de semidesintegración de 23 minutos, dando lugar a un isótopo de Z=93 que se llamó Neptunio, el cual a su vez emite otro electrón con periodo de semidesintegración de 2'3 días, dando lugar a un núclido de Z=94 que se le llamó Plutonio, resultando este último mucho más estable. 239 239 0 92 U → 93 Np + −1 e 239 93 0 Np→ 239 94 Pu + −1 e Sin embargo, aún quedaban sin aclarar las cuatro emisiones diferentes surgidas en las primeras tentativas de formación de elementos transuránicos por bombardeo de uranio con neutrones. Se aplicaron técnicas especiales de separación mediante portadores (los portadores son sustancias especiales de propiedades químicas análogas al elemento que se desea separar, por pertenecer al mismo subgrupo del sistema periódico, y que se añade al elemento en cantidad muy superior a él y luego se precipita por formación de una sal insoluble, con lo cual el elemento precipita con el portador; por ejemplo, el bario y el radio), para purificar los elementos que producían dichas actividades β, pero el número resultante de nuevos radioelementos y sus propiedades fueron de tal género que no se pudieron encajar en un sistema coherente con las propiedades de los elementos pesados y las que se habían previsto para los elementos transuránicos. 2.2. Reacciones de fisión nuclear. Una de las dificultades planteadas por el análisis de los productos del bombardeo del uranio con neutrones, permitió llegar a una conclusión notable: pudo observarse que además de los elementos que parecían ser transuránicos aparecían cuatro elementos que se supuso que eran isótopos del Radio, con radiactividad β, ya que coprecipitaban con el bario cuando se utilizaba éste como portador, y sus productos de desintegración parecían ser isótopos del Actinio, porque coprecipitaban con el lantano (portador selectivo del actinio). Estos resultados parecían lógicos pues el Actinio sigue al Radio en el Sistema Periódico, sin embargo quedaron planteados dos nuevos problemas más importantes. En primer lugar, la producción de un isótopo del Radio por bombardeo del Uranio con neutrones exige una reacción (n,2α) cuya probabilidad es muy pequeña, especialmente con neutrones de baja energía. En segundo lugar, los experimentos químicos que se realizaron posteriormente demostraron que las propiedades atribuidas al isótopo del Radio no podían diferenciarse de las del Bario utilizado como portador y que tampoco las del producto de su desintegración podían diferenciarse de las del Lantano utilizado como portador. En 1936, Hahn y Strassmann demostraron sin lugar a dudas que los supuestos isótopos del Radio eran en realidad isótopos del Bario y que los isótopos atribuidos al Actinio eran isótopos del Lantano. Es obvio que el Lantano se forma por transmutación β del Bario. Demostraron además que uno de los isótopos del Bario procedentes del bombardeo del Uranio podía identificarse por su periodo de semidesintegración (T=86 min.) con el núclido 139 56 Ba ya conocido y que uno de los isótopos del Lantano se ident ificó con el núclido 140 57 La también conocido, que tiene un periodo de T=40 horas. 4/29 www.eltemario.com © Antonio Abrisqueta García, 1999 Oposiciones Secundaria – Física y Química Temario Específico – Tema 37 139 La producción de los núclidos 140 57 La y 56 Ba a partir e Uranio (Z=92) exigía la realización de un tipo de reacción nuclear desconocido hasta entonces, por la cual el núcleo de Uranio se desdoblaría en fragmentos que serían, a su vez, núclidos de masa atómica intermedia. Si realmente ocurría esto, debían encontrarse núclidos con números atómicos aproximadamente iguales a 36, (92−56=36). Hahn y Strassmann descubrieron un isótopo activo del Estroncio (Z=38) y otro de Ytrio (Z=39), así como isótopos del Kriptón (Z=36) y Xenón (Z=54). Los resultados de estas experiencias ponían de relieve que: a) al bombardear núcleos de Uranio con neutrones se escinden ciertamente en dos núcleos de Z intermedios, b) que los núcleos producidos tendrían energías muy elevadas, c) producirían una elevada ionización, como se comprueba en una cámara de ionización adecuada, que acusa energías de hasta 100 MeV, muy superior a las de las partículas α. Los análisis químicos demostraron que además de los productos de reacción ya mencionados, se formaban además otros núclidos con números másicos intermedios, entre los que se incluyen Bromo, Molibdeno, Rubidio, Antimonio, Teluro, Iodo y Cesio. Existían pues pruebas suficientes del desdoblamiento del núcleo de Uranio, proceso al que se llamó Fisión Nuclear. Actualmente puede provocarse, en condiciones adecuadas, la fisión de diferentes núclidos. Así, por ejemplo, en el bombardeo de pequeñas muestras de isótopos del Uranio, separados por un espectrógrafo de masas, se observó que los neutrones lentos provocaban la escisión del U-235 pero no la del U-238, en cambio los neutrones de energía superior a 1 MeV provocan la fisión de ambos isótopos. El Torio y el Protactinio-231 sólo sufren fisión cuando se bombardean con ne utrones rápidos. También puede producirse la fisión del Torio y del Uranio con partículas α de elevada energía, con protones, con deuterones y con rayos γ. Los núclidos de 239 233 238 232 94 Pu y 92 U (formados a partir de 92 U y 90Th por reacción (n-γ) seguida de desintegración β de los productos de reacción), sufren fisión al bombardearlos con neutrones lentos o rápidos, lo mismo que otros núclidos pesados artificiales. Además de los dos grandes fragmentos nucleares producidos en la fisión se emiten neutrones y rayos γ. Se ha observado también la escisión del núcleo bombardeado, en tres fragmentos de tamaños comparables (fisión ternaria) pero ocurre muy raramente, sólo un 0'005% de las fisiones binarias. A veces se emiten también partículas α de gran alcance y también tiene lugar con frecuencia la emisión de núcleos ligeros de masa superior a 4 e inferior a 12. Las investigaciones efectuadas sobre los productos de la fisión del 235 92 U han demostrado que sus masas se extienden desde A=72 (probablemente un isótopo del 30 Zn) hasta A=158 (probablemente un isótopo del 63 Eu). Casi un 97% de los núcleos de 235 92 U que sufren fisión dan lugar a productos que se pueden reunir en dos grupos: uno ligero constituido por núclidos de números másicos entre 85 y 104 y un grupo pesado constituido por núclidos de números másicos entre 130 y 149. El tipo más probable de fisión, al que corresponde casi un 6% del total, da lugar a productos con números másicos entre 95 y 139. 5/29 www.eltemario.com © Antonio Abrisqueta García, 1999 Oposiciones Secundaria – Física y Química Temario Específico – Tema 37 En realidad se han detectado más de 60 productos primarios de fisión lo que pone de manifiesto la existencia de, por lo menos, 30 modos distintos de fisión, correspondiendo a cada uno de ellos la formación de un par de núclidos. Los fragmentos de fisión tienen un número excesivo de neutrones para ser estables y la mayoría de ellos se desintegra por emisión β inaugurando cada fragmento una corta serie radiactiva que comprende los productos formados por las sucesivas emisiones β. Estas series se denominan cadenas de desintegración de los productos de fisión. Dichas cadenas suelen tener tres miembros si bien aparecen con frecuencia series más largas y más cortas. El problema de determinar la masa y número atómico de los elementos de estas cadenas es extremadamente difícil, no obstante, después de pacientes investigaciones se han establecido más de 60 cadenas que comprenden alrededor de 200 radionúclidos diferentes. Como ejemplo de cadena larga mencionaremos: 140 β− 140 β− 140 β− 140 β− 140 Estable 54 Xe → 55 Cs → 56 Ba → 57 La → 58 Ce y como ejemplo de serie corta, tendremos: 147 β− 147 β− 147 (T≈1011 años) 60 Nd → 61 Pm → 62 Sm serie en la cual, se caracterizó definitivamente el isótopo del elemento de número atómico 61 (Prometio) desconocido hasta entonces. También se ha identificado entre los productos de fisión el elemento de Z=43, que no ha sido encontrado en la naturaleza y al 5 que se denominó Tecnecio, cuyo isótopo 99 43Tc es de vida larga (T≈ 2'2.10 años). 2.3. Energía del proceso de fisión. En el proceso de fisión nuclear se desprende gran cantidad de energía, mucho mayor que la que hasta entonces se había encontrado en los procesos nucleares o atómicos. Además de la liberación de energía se observó que la escisión del Uranio iba acompañada de varios neutrones y se pensó que estos neutrones podrían utilizarse para producir la escisión de otros núcleos de Uranio, iniciando así una reacción en cadena capaz de provocar el desprendimiento de una enorme cantidad de energía. Puede calcularse la energía total liberada en la fisión nuclear a partir de la masa del núclido de 236 92 U y de una pareja típica de productos de fisión, de alto rendimiento, como son los de números másicos 95 y 139. Si se toman como productos estables fina95 les de las dos cadenas que corresponden a sus masas respectivas, el 42 Mo y 139 57 La , la suma de sus masas vale: 94'946 + 138'955 = 233'901 uma aceptando los valores calculados con la fórmula semiempírica de la masa. Si consideramos el número de masa resultante: 95+139=234 se liberan dos neutrones en este proceso concreto de fisión y la masa total de los productos de fisión será: 233'901 + 2'018 = 235'919 uma 235 mientras que la masa del isótopo 92 U es de 235'124 uma por lo que la del núcleo com- [ ] puesto 236 235'124 + 1'009 = 236'133 uma 92 U se aproxima a: el exceso de masa que se transforma en energía vale pues: ∆m = 236'133 − 235'919 = 0'214 uma × 931 MeV/uma =198 MeV Aunque existen por lo menos 30 modos diferentes de división del núcleo por fisión, el exceso de masa es aproximadamente el mismo para todos los procesos. Este 6/29 www.eltemario.com © Antonio Abrisqueta García, 1999 Oposiciones Secundaria – Física y Química Temario Específico – Tema 37 valor de la energía de fisión es superior al que se desprende en la desintegración media de la partícula α (5 a 10 MeV) y enormemente superior al que se desprende en un proceso de combustión química (≈4 eV). La cantidad total de energía liberada por fisión es la suma de la energía cinética de los fragmentos de fisión, de la energía cinética de los neutrones emitidos, de la energía cinética de los rayos γ inmediatos y de la energía total que interviene en los procesos de desintegración que dan lugar a la formación de las cadenas de los productos de fisión. Cada núclido, producto de la fisión, puede emitir uno o dos neutrones inmediatamente después de la fisión, pero en un tiempo demasiado corto para ser medido, probablemente inferior a 10-15 s. Tales neutrones se denominan inmediatos. Más tarde pueden emitirse otros neutrones que se llaman retardados. 2.4. Teoría del proceso de fisión. 2.4.1. Teoría de Bohr-Wheeler. La fisión del Uranio puede producirse por neutrones lentos o rápidos. Los investigadores Bohr y Wheeler (1939) utilizaron el modelo de la gota líquida en su teoría de la fisión nuclear, la cual, según ellos, se efectúa en dos etapas: 1. Formación de un núcleo compuesto en el cual, la energía es almacenada temporalmente entre los diferentes grados de libertad de los nucleones de manera análoga a la agitación térmica de un líquido. 2. Transformación de una porción suficiente de esta energía en energía potencial de deformación del núcleo compuesto que desemboca en la escisión. FIG. 2 El proceso de fisión puede describirse como se indica en la fig.2. Considerando el núcleo como una gota líquida y esférica (a), su forma depende del equilibrio de las fuerzas de tensión superficial y de repulsión electrostática. Si se añade energía a la gota, por la captura de un neutrón lento aparecen oscilaciones en el seno de la misma que le hacen perder su esfericidad y la transforman en un elipsoide. Si la energía de excitación es suficientemente grande, la gota puede alcanzar una forma alargada con un estrechamiento (b) y se divide en dos para formar dos núcleos de números atómicos A1 y A2 y de radios r1 y r2 . La distancia entre sus centros será mayor que r1 +r2 y en este momento estos núcleos emitirán inmediatamente uno o más neutrones como se indica en (d). La distancia r entre los núcleos en el instante próximo a la escisión es, probablemente mayor que el alcance de las fuerzas nucleares, de modo que estos núcleos se encuentran bajo la acción de las fuerzas repulsivas electrostáticas debidas a sus cargas eléctricas. Esto se deduce del hecho de que la suma de las energías cinéticas de estos núcleos es inferior a la energía liberada en el proceso de fisión. Por tanto, en el momento de la escisión, los núclidos A1 (Z1 ) y A2 (Z2 ) se hallarán en estados sumamente 7/29 www.eltemario.com © Antonio Abrisqueta García, 1999 Oposiciones Secundaria – Física y Química Temario Específico – Tema 37 excitados. Parte de esta energía es liberada casi instantáneamente y arrastrada por ne utrones inmediatos. El exceso restante de energía se libera cuando dichos núclidos adquieren configuraciones más estables por expulsión de neutrones e incluso partículas más pesadas como partículas α, mediante desintegración β y emisión de radiación γ. La teoría de Bohr-Wheeler permite calcular la energía potencial E de la gota en los distintos pasos de la fig.2, en función del grado de deformación de la misma, medido por el parámetro r, distancia entre los núcleos A1 y A2 . En el caso de r=0, o sea, cuando la gota nuclear tiene la forma esférica, la energía potencial E disponible viene dada por: E0 = c 2 m ZA N − m ZA11 N − m ZA22 N (5) [ ( ) ( ) ( )] El valor de E0 corresponde al estado fundamental del núcleo compuesto formado cuando el núcleo bombardeado captura un neutrón pero no incluye la energía de excitación resultante. Cuando r>R1 +R2 , la energía correspondiente es de naturaleza electrostática resultante de la repulsión mutua de los dos fragmentos nucleares y dicha energía será: Z1 Z 2 e2 (6) r Cuando los dos fragmentos nucleares están exactamente en contacto, es decir, para r=R1 +R2 , la energía electrostática será máxima y vendrá representada por Ec: Z Z e2 Ec = 1 2 (7) R1 + R2 Cuando r<R1 +R2 la energía disponible depende no sólo de las fuerzas de repulsión electrostáticas sino de las fuerzas de tensión superficial producidas por las fuerzas nucleares, lo que aumenta la complejidad del cálculo de E, apareciendo tres casos (I, II, III) para la posible variación de E en esta región. Tipo I. Como E0 está en relación con el número másico A (5), resulta que los núcleos estables cuyo valor de A es algo mayor de 100 son del tipo I y les corresponde E0 ≅50 MeV inferior al de Ec. Tipo II. Los núcleos análogos al Uranio, Torio y Plutonio, son del tipo II para los cuales Ec-E0 vale aproximadamente 6 MeV. Tipo III. Para los núcleos todavía más pesados (transuránicos) E0 debe ser superior a Ec, por lo que deben sufrir espontáneamente la escisión nuclear y no es de esperar que su vida sea larga. 2.4.2. Condiciones para la fisión. Desde el punto de vista de la Mecánica Clásica, los núcleos de tipo II deben ser estables con respecto a la fisión, pero según la mecánica cuántica existe cierta probabilidad de que se fisionen espontáneamente. En el U-238 (el más abundante en la naturaleza) se producen aproximadamente 25 fisiones espontáneas por gramo y hora y el periodo correspondiente a este proceso es T≈1017 años. Mediante la teoría de Bohr-Wheeler se ha calculado la energía de activación E=Ec-E0 necesaria para producir la fisión de un núcleo del tipo II. La adición de un solo 8/29 www.eltemario.com © Antonio Abrisqueta García, 1999 Oposiciones Secundaria – Física y Química Temario Específico – Tema 37 neutrón lento al núcleo bombardeado origina un núcleo compuesto que se halla siempre en estado excitado. El exceso de energía es sencillamente la energía de ligadura del neutrón añadido, En . Si En >E, la incorporación de un neutrón lento al núcleo basta para conseguir la configuración inestable del núcleo compuesto que produce la escisión. Cuando En <E, la captura de neutrones lentos no puede producir la fisión, sin embargo puede obtenerse la energía adicional necesaria incrementado la energía cinética de los neutrones incidentes. La energía En debe calcularse mediante la fórmula semiempírica de la energía de ligadura o a partir de la masa de los núcleos y partículas que intervienen en el proceso cuando éstas se conocen. 2.5. Emisión de neutrones en la fisión. Con el descubrimiento de la fisión del Uranio se vio la posibilidad de disponer de una nueva fuente de energía si por cada neutrón que producía fisión se emitía más de un sólo neutrón. En 1936, bombardeando óxido de uranio o uranio natural con neutrones lentos, se detectaron los neutrones producidos en la fisión, mediante una cámara de ionización de alta presión que contenía Hidrógeno y Argón. La cámara se conectaba a un oscilógrafo que registraba fotográficamente los impulsos debidos a los protones de rechazo originados por choques con neutrones de fisión de alta energía. Así se obtuvo la distribución de la energía de los neutrones, así como el promedio de los emitidos por fisión. Para este último parámetro se obtuvo el valor de 2'3 neutrones/fisión. El valor generalmente aceptado actualmente, se designa por ν y es: ν = 2'47 ± 0'03 neutrones/fisión para la fisión producida en el Uranio-235 por un haz de neutrones lentos o térmicos, cuya velocidad es de 2200 m/s. Tales neutrones poseen una energía cinética de 0'0253 eV que igualando a kT (k=constante de Boltzmann) se obtiene para T=293'6 K igual a 20'5°C como temperatura correspondiente a estos neutrones lentos. El valor atribuido a ν para la fisión del U-238 con neutrones rápidos (≈2 MeV) es de 2'55 neutrones/fisión. Según puede verse, el número de neutrones liberados en ambos casos es superior a 2. El número de neutrones liberados en un proceso único de fisión debe ser, evidentemente un número entero, pero como el núcleo fisionable puede escindirse de 30 modos diferentes, por lo menos el número medio de neutrones liberados en la fisión no tiene por qué ser entero. 2.5.1. Clasificación de los neutrones emitidos. Los neutrones emitidos en la fisión pueden clasificarse, como ya dijimos, en inmediatos y retardados. Los neutrones inmediatos suponen más del 99% del total y se emiten dentro de un intervalo de tiempo sumamente corto después de la fisión, posiblemente l0-15 s. Se supone que el núcleo compuesto U-236 se desdobla en dos fragmentos, cada uno de los cuales tiene un número excesivo de neutrones para ser estable. Al mismo tiempo se emiten rayos γ inmediatos. 9/29 www.eltemario.com © Antonio Abrisqueta García, 1999 Oposiciones Secundaria – Física y Química Temario Específico – Tema 37 Los neutrones retardados, que constituyen aproximadamente un 0'73% del total de los emitidos en la fisión del U-235, se emiten con intensidad decreciente durante varios minutos después de la fisión. Estudiando la velocidad de disminución de dicha intensidad de neutrones se han observado cinco grupos bien definidos de neutrones retardados para cada uno de los cuales la velocidad de disminución de la intensidad correspondiente es exponencial, como en otras formas de desintegración radiactiva, pudiéndose atribuir a cada grupo un periodo de semidesintegración que para el caso del U235 son: 0'43, 1'52, 4'51, 22, y 55'6 segundos. En la fisión térmica del 239 94 Pu y del 233 92 U y en la fisión con neutrones rápidos del 238 92 U y del 232 90Th se han observado también los cinco grupos de neutrones retardados, con iguales periodos pero distintos rendimientos. Aunque la proporción de neutrones retardados es pequeña, estos tienen cierta influencia sobre el comportamiento de un reactor nuclear fundado en una reacción en cadena sostenida por neutrones térmicos y desempeñan un importante papel en el control del mismo. Se ha relacionado la aparición de los neutrones retardados con periodos de 4'51 s, 22 s y 55'6 s, con la desintegración de los productos de fisión de los grupos del Bromo y 87 del Iodo. El producto de fisión 35 Br es un emisor β con un periodo entre 55 y 56 s y su descendiente 3687 Kr puede formarse en un estado tan excitado como para emitir un ne utrón (energía de excitación superior a la energía de ligadura del neutrón) y formar un núcleo estable de 3686 Kr . La velocidad con que se emiten los neutrones dependerá de la velocidad con que se forme el núcleo excitado Kr-87 que a su vez depende de la velocidad de desintegración del Br-87. Por tanto el periodo correspondiente a la emisión de neutrones por el Kr-87 debe ser el mismo que el de la desintegración β del Br-87. También, el producto de fisión 137 53 I emite partículas β con periodo entre 19'3 y 22'5 s y en algunas de las desintegraciones se forma 137 54 Xe en un estado de excitación muy elevado, con energía suficiente para que emita un neutrón pasando a La energía de los neutrones inmediatos emitidos en la fisión varía entre 0'05 MeV y más de 17 MeV, no siendo un problema fácil de resolver la determinación de sus valores dentro de un margen tan amplio. Sin embargo, se han estudiado con gran detalle las energías de los procedentes de la fisión térmica del Uranio, por diversos métodos según intervalos de energía. Al representar la intensidad de los neutrones en función de la energía de los mismos se observa un ancho máximo en las proximidades de 0'75 MeV decreciendo luego la intensidad expone ncialmente o casi, cuando las energías son superiores a 2 MeV, lo que hace que la distribución de energías entre 0'075 MeV y 17 MeV pueda ser descrita mediante la formula empírica: 10/ 29 FIG. 3 136 54 Xe estable. www.eltemario.com © Antonio Abrisqueta García, 1999 Oposiciones Secundaria – Física y Química Temario Específico – Tema 37 N ( E ) = e − E senh 2 E (8) donde N(E) representa el número relativo de neutrones por intervalo unitario de la energía. El valor medio de la energía de los neutrones es 2 MeV. 2.6. La Fisión Nuclear como fuente de energía. 2.6.1. Reacciones en cadena espontáneas y controladas. La gran cantidad de energía liberada en la fisión, unida al hecho de la emisión en la misma, de más de dos neutrones ha permitido utilizar dicho proceso como fuente de energía. La emisión de más de dos neutrones por término medio, por fisión facilita el establecimiento de una reacción en cadena sostenida por estos neutrones. En ciertas condiciones, el número de fisiones y de neutrones aumenta exponencialmente con el tiempo porque cada fisión produce más neutrones de los que absorbe pudiendo llegar a ser enorme la cantidad de energía liberada. El intervalo de tiempo entre las generaciones sucesivas de fisiones es sólo una fracción muy pequeña de segundo, por lo que la energía liberada por la reacción en cadena llega a adquirir carácter explosivo como ocurre en las bombas atómicas. Bajo otras condiciones, la reacción en cadena puede controlarse y alcanzar un estado estacionario en el que se produzcan tantos neutrones como se consuman por unidad de tiempo, manteniéndose constante la velocidad o número de fisiones por segundo y por ello, la energía liberada, en cuyo caso el resultado es una pila de reacción en cadena o reactor nuclear, susceptible de ser utilizado como fuente de neutrones o de energía. El que la reacción en cadena se mantenga, se refuerce o disminuya hasta anularse depende de la relación de los neutrones producidos por fisión y su pérdida en diversos procesos, tales como captura de neutrones sin fisión, reacciones (n- γ) y pérdidas de neutrones a través de la superficie del sistema. La magnitud de la energía desprendida en la fisión se pone de manifiesto partie ndo del dato básico de que la escisión de un núcleo de U-235 libera 200 MeV y por sencillos cálculos se deduce que la fisión de 1 Kg de Uranio produciría 8'21.1013 Julios ó sea ≈2.1010 Kcal, lo que equivale a la explosión de 20.000 Toneladas de T.N.T. 2.6.2. La Bomba Atómica. En 1940 se llegó a la conclusión de que para que fuera realizable una bomba atómica, tenía que basarse en la fisión provocada por neutrones rápidos, porque sólo en este caso la liberación de energía sería suficientemente brusca. Los experimentos realizados demostraron que la sección eficaz de fisión del Uranio-238 por los neutrones rápidos es pequeña en comparación con la sección eficaz total, para toda clase de reacciones, por lo que pareció improbable alcanzar con Uranio-238 (el más abundante en la naturaleza) bombardeado con neutrones rápidos una reacción en cadena que tuviera carácter explosivo. En cambio, el isótopo Uranio-235, relativamente escaso en la naturaleza, parecía idóneo para estos fines, pero su separación en grandes cantidades planteaba un problema muy difícil. Sin embargo, el núclido transuránico Pu-239 ofrecía la solución al problema. Por entonces había cierta evidencia de que la captura de neutrones por el U-238 daba lugar a 11/ 29 www.eltemario.com © Antonio Abrisqueta García, 1999 Pu-239 según el proceso: Oposiciones Secundaria – Física y Química Temario Específico – Tema 37 [ ] β 239 β 239 U +01n → 239 → → 92 U 93 Np 94 Pu pudiéndose predecir mediante la teoría de Bohr-Wheeler de la fisión, que este núclido, que sería probablemente emisor de partículas α, de vida relativamente larga, se fisionaría al ser bombardeado con neutrones lentos o rápidos, lo mismo que el U-235. La separación química del U-238 del Pu-239 eliminaría las dificultades de la separación isotópica planteadas entre U-235 y U-238. Hoy día, esta separación isotópica, lo mismo que la preparación del Pu-239 se realizan en gran escala en un reactor nuclear. 238 92 * 2.7. El reactor nuclear. El establecimiento de una reacción en cadena con Uranio depende del carácter favorable del balance entre cuatro procesos simultáneos que compiten entre sí, y son: 1. Fisión de los núcleos de Uranio con emisión de un número mayor de neutrones que el consumido. 2. Captura de neutrones por el uranio, sin fisión. 3. Captura de neutrones por otros materiales, sin fisión. 4. Fuga de neutrones antes de ser capturados. Si la pérdida de neutrones debida a los tres últimos procesos es igual o menor que el exceso de los mismos producidos por el primer proceso, se mantiene la reacción en cadena, o dicho de otra manera, el Factor de Multiplicación Eficaz, Ke, determinará si ésta continuará en régimen estacionario, se incrementará o decrecerá. El Factor de Multiplicación Eficaz para un corto intervalo de tiempo se define como la razón del número de neutrones P producidos durante este intervalo (proceso 1) a la suma de los neutrones absorbidos A (procesos 2 y 3) más los neutrones perdidos L (proceso 4), es decir: P Ke = (9) A+ L La reacción de fisión en cadena será crítica o estacionaria cuando Ke=1; aument ará y será supercrítica cuando Ke>1 y decrecerá y será subcrítica cuando Ke<1. Si F es el número de procesos de escisión por unidad de tiempo y ν el promedio de neutrones emitidos en cada fisión P=νF, la ecuación (9) se escribirá: νF F 1 Ke = =ν × (10) A+ L A 1+ L A La razón F/A depende de la cantidad de material escindible y no escindible y de sus secciones eficaces para la fisión y la captura neutrónica. La razón L/A depende de la capacidad del reactor para contener y absorber los neutrones antes que puedan escapar a través de la superficie. 2.7.2. Masa crítica de fisión. Si el Uranio (material escindible) se distribuye regularmente en la totalidad del conjunto que constituye el sistema, la producción de neutrones (proceso 1) es función del volumen de este último mientras que la probabilidad de fuga (proceso 4) depende de la superficie. Si el sistema es pequeño, al estar distribuido el Uranio, la relación entre superficie y volumen es grande, escaparán la mayoría de los neutrones y serán absorbidos muy pocos. La relación L/A será grande, con lo cual en el límite Ke tiende a cero, lo que imposibilita el establecimiento de la reacción en cadena. La pérdida de neutrones 12/ 29 www.eltemario.com © Antonio Abrisqueta García, 1999 Oposiciones Secundaria – Física y Química Temario Específico – Tema 37 por captura sin fisión (proceso 2) es un efecto del volumen, igual que la producción, y su importancia relativa no varía con el tamaño del sistema lo que da como resultado que cuanto más grande es el tamaño del conjunto menos probable es la fuga de neutrones con lo que L/A disminuye hasta anularse en el límite y Ke tiende hacia el valor límite: νF/A. Por consiguiente, si la composición del reactor es tal que se cumple: νF >1 A existe un volumen o tamaño crítico para el cual Ke=1 y se denomina volumen crítico y la masa del material escindible correspondiente se denomina masa crítica. El núcleo del reactor, lugar donde se sitúa el material escindible, puede estar rodeado de material no escindible que sea capaz de reflejar los neutrones hacia dentro, con lo que el volumen y la masa críticos se reducen. Los neutrones de una energía cualquiera pueden provocar la fisión del Uranio-235 no existiendo umbral alguno para el proceso, por ello el establecimiento de una reacción en cadena se logra con una masa finita de este isótopo. Han sido utilizadas bombas atómicas elaboradas con U-235 y se ha diseñado y puesto en funcionamiento un reactor nuclear que lo utiliza como combustible y donde las fisiones son inducidas por neutrones rápidos. En este tipo de reactor, la moderación de los neutrones, si existe, es muy reducida y es evitada en lo posible por la ausencia de materiales capaces de producirla. 2.7.3. Elementos del reactor nuclear. Puede llegar a establecerse una reacción nuclear en cadena con Uranio natural y un moderador adecuado distribuidos ambos de manera apropiada. La sección eficaz del Uranio-238 para los neutrones térmicos es lo suficientemente grande para lograr un balance favorable de los factores indicados al principio. Es necesario el moderador para frenar los neutrones de fisión hasta energías tales que la sección eficaz de fisión del Uranio-238 sea suficientemente grande para compensar las pérdidas debidas a la absorción ya la fuga. Con Uranio natural han sido utilizados con éxito el grafito y el agua pesada como moderadores, formando un retículo que suele denominarse heterogéneo debido a la separación existente entre el combustible nuclear y el moderador. El éxito logrado en la separación isotópica del U-235 del U-238, éste mucho más abundante en la naturaleza y la producción de Pu-239 en los reactores ha permitido disponer de combustibles nucleares de elevada calidad lo que ha ampliado las posibilidades de los sistemas basados en las reacciones en cadena. El Uranio enriquecido, es decir, el Uranio natural que contiene más de 0'72% de U-235 ha sido utilizado en forma de sal disuelta en agua, en un reactor con un tipo de sistema llamado homogéneo. El número de fisiones que se producen en un reactor nuclear por unidad de tiempo determina el número correspondiente de neutrones producidos y la velocidad con que se produce calor, es decir, el nivel de potencia. Para que un reactor funcione en un nivel estacionario de potencia debe extraerse la energía liberada en la fisión que, si bien se produce originariamente en forma de energía cinética de los fragmentos de fisión, ne utrones, partículas β y rayos γ, se transforma en calor cuando todas estas partículas resultan frenadas por los materiales constitutivos del reactor. El calor es eliminado haciendo circular un refrigerante, que puede ser agua, gas a presión o sodio líquido, a través del reactor. 13/ 29 www.eltemario.com © Antonio Abrisqueta García, 1999 Oposiciones Secundaria – Física y Química Temario Específico – Tema 37 La elección del refrigerante depende del objeto al cual sea destinado el reactor y dicha elección está limitada por consideraciones nucleares y técnicas pues el refrigerante es una impureza y contribuye a la captura de neutrones de fisión, debiéndose tratar de conseguir un punto intermedio entre el daño inferido a la economía de neutrones y la eficacia en la extracción del calor. En los reactores diseñados para investigación, es decir, como productor de ne utrones para experiencias diversas, no existe interés alguno por la energía que se libera, siendo utilizado un refrigerante que fundamentalmente absorba pocos neutrones, como, por ejemplo, el aire. En los reactores destinados a la producción de Plutonio, el ritmo de esta producción depende del nivel de potencia, lo que hace necesaria una refrigeración más eficaz, utilizándose agua como refrigerante. Si el reactor es diseñado para producir energía, pueden ser empleados metales líquidos para aumentar aún más la eficacia de la refrigeración. 2.7.4. Clasificación de los reactores. De acuerdo con las propiedades del sistema donde se establece la reacción nuclear en cadena, haremos una clasificación de los reactores nucleares según las siguientes características: 1. La energía de los neutrones que intervienen en la mayoría de las fisiones es: a) Energía elevada, o sea, la mayoría de las fisiones son inducidas por los neutrones rápidos producidos en la fisión. b) Energías intermedias. c) Energías bajas o térmicas. 2. El combustible: a) Uranio natural que contiene 0'72% de Uranio-235. b) Uranio enriquecido, con más de 0'72% de Uranio-235. c) Plutonio-239. d) Uranio-233. 3. El conjunto combustible-moderador: a) Heterogéneo. b) Homogéneo. 4. El a) b) c) d) moderador: Grafito. Agua. Agua pesada D2 O. Berilio u óxido de Berilio (BeO). 5. El a) b) c) refrigerante. Aire u otro gas. Agua u otro líquido. Metal líquido. 6. Finalidad del reactor: a) Como instrumento para la investigación. 14/ 29 www.eltemario.com © Antonio Abrisqueta García, 1999 Oposiciones Secundaria – Física y Química Temario Específico – Tema 37 b) Para la producción de materiales fisibles. c) Para la producción de energía. Para realizar un estudio detallado de los reactores nucleares es preciso tratar una gran variedad de problemas, sin embargo es posible indicar mediante algunos ejemplos sencillos cómo influyen las necesidades nucleares sobre el diseño de los reactores. 2.7.5. Reactores nucleares térmicos. El ciclo de neutrones. El balance de neutrones en un reactor nuclear térmico puede describirse mediante un ciclo que recoge las vicisitudes que sufren. El ciclo se inicia con la fisión de un núcleo de Uranio-235 por un neutrón térmico, proceso en el que se producen ν neutrones rápidos con una energía media superior a la umbral para la fisión del U-238, por lo que alguno de los núcleos de este isótopo se fisionarán. (Esquema de la página siguiente). La probabilidad de este proceso adicional de fisión depende de la probabilidad que tengan los neutrones de fisión de chocar con los núcleos de U-238, antes de que choquen con los del moderador. Una pequeña fracción de los neutrones que chocan con los núcleos del U-238 puede ciertamente provocar su fisión, produciéndose neutrones que se suman a los producidos en la fisión térmica del U-235, con lo que el número total de neutrones rápidos de fisión pasa del valor ν al valor νε, donde ε, llamado coeficiente de fisión rápida, puede ser igual o mayor que la unidad. En ciertos reactores, ε=1'03, esto es, que bajo ciertas condiciones, la fisión de los núcleos de U-238 por neutrones rápidos procedentes de la fisión de U-235 por neutrones térmicos, llega a aumentar el número total de neutrones de fisión en casi un 3%. Los νε neutrones producidos se difunden a través del reactor pero una fracción ϕ escapa antes de ser moderados hasta energías térmicas, perdiéndose νεϕ neutrones. Los restantes νε(1-ϕ) van perdiendo velocidad en los sucesivos choques con el moderador, pero durante este proceso algunos de ellos, fracción (1-ρ) pueden ser capturados por el U-238 para formar [U-239]* que al desintegrarse por emisión β produce Np-239 y éste produce Pu-239. Este proceso de captura es una reacción de absorción con resonancia. De los νε(1-ϕ) que sufren proceso de moderación, una fracción: νε(1-ϕ)ρ no sufre captura con resonancia por el U-238, mientras que la fracción νε(1-ϕ)(1-ρ) resulta capturada y contribuye a formar Pu-239. El factor ρ se denomina probabilidad de evitar la captura con resonancia. Aunque los neutrones absorbidos por U-238 dejan de intervenir en las fisiones ulteriores de U-235 y cabe considerarlos como perdidos, tienen importancia por su contribución a la producción de Pu-239, que también es un material escindible. Los neutrones que logran evitar la absorción con resonancia llegan a alcanzar energías térmicas en el proceso de moderación, momento en el que puede ocurrir uno de los procesos siguientes: 1. Algunos de los neutrones (fracción τ) siguen difundiéndose sin ser capturados y logran escapar del sistema. El número total de neutrones térmicos que escapa en cada fisión es νε(1-ϕ)ρτ. 2. De los neutrones térmicos restantes νε(1-ϕ)ρ(1-τ), resulta absorbida una fracción δ y la fracción restante 1-δ, (no representada en el esquema) se absorbe 15/ 29 www.eltemario.com © Antonio Abrisqueta García, 1999 Oposiciones Secundaria – Física y Química Temario Específico – Tema 37 en otros materiales, como el moderador o los materiales de la estructura del reactor, pudiéndose dar por perdidos. El número de neutrones todavía disponible para el sostenimiento de la reacción en cadena será pues, νε(1-ϕ)ρ(1-τ)δ. El factor δ se denomina coeficiente de utilización térmica. Así, pues, no todos los neutrones absorbidos por el Uranio provocan la fisión de los núcleos de U-235 pues algunos de ellos son absorbidos por el U-238 (fracción 1−θ) para formar U-239 que se desintegra y da lugar a Np-239 y finalmente Pu-239. 16/ 29 www.eltemario.com © Antonio Abrisqueta García, 1999 Oposiciones Secundaria – Física y Química Temario Específico – Tema 37 Los otros, (fracción θ) los absorbe el U-235 para formar U-236. La fracción del número total de neutrones térmicos absorbidos en el Uranio que provoca la fisión del U-235, viene dada por la relación: σ (U ) θ= f (11) σa (U ) donde σf(U) es la sección eficaz de fisión del Uranio y σa (U) es la sección eficaz total de absorción del Uranio. Se denomina coeficiente de reproducción o de multiplicación al número de fisiones secundarias de U-235 producidas por un neutrón engendrado en la fisión anterior de otro núclido igual. Suele representarse por K y su valor es: σ (U ) K = νε(1 − ϕ) ρ(1 − τ)δ f (12) σa (U ) El producto: ν.σf(U)/σa (U) representa el número de neutrones rápidos de fisión, producidos por cada neutrón térmico absorbido en el Uranio y se denomina coeficiente eta η, por consiguiente el factor de multiplicación K será: K = ηερδ(1 − ϕ)(1 − τ) (13) La magnitud K definida por esta última ecuación suele denominarse coeficiente eficaz de multiplicación y corresponde a un sistema de tamaño finito. Para que pueda mantenerse una reacción en cadena en estado estacionario en dicho sistema es necesario que K sea igual a la unidad. Si es menor que 1 no puede existir reacción en cadena y si es mayor que 1 el número de neutrones y de fisiones aumenta en cada ciclo sucesivo y se dice que la reacción en cadena es divergente. El tamaño crítico de un sistema de reacción en cadena es aquel para el cual K=1. En la teoría y diseño de reactores resulta muy útil el valor de K calculado para un sistema de dimensiones infinitamente grandes, en el que no puede haber fugas de ne utrones y donde las cantidades ϕ y τ son, por tanto, nulas. El coeficiente de multiplicación en este caso se representa por K∞ y vale: K ∞ = ηερδ (14) expresión que se conoce como fórmula de los cuatro coeficientes. En el caso especial de un reactor cuyo combustible contenga solamente U-235, tanto el coeficiente de fisión rápida ε como la probabilidad ρ de evitar la captura con resonancia, valen prácticamente la unidad, simplificándose así la expresión que da el valor de K∞, resultando: K ∞ = ηδ (15) De los cuatro coeficientes de que es función K∞, η depende solo de las propiedades nucleares del combustible, mientras que ε depende de éstas y de la forma y tamaño de dicho combustible. Los restantes coeficientes ρ y δ dependen también de las propiedades del combustible y de las del moderador, así como de cualquier otro material presente en el reactor y además del modo como están distribuidos todos estos materiales. 17/ 29 www.eltemario.com © Antonio Abrisqueta García, 1999 Oposiciones Secundaria – Física y Química Temario Específico – Tema 37 3. FUSION NUCLEAR 3.1. Producción de energía en las estrellas. Mecanismos. El origen de la energía emitida por las estrellas es uno de los problemas físicos más intrigantes. El Sol emite un flujo de energía electromagnética de 4.1016 julios/s, valor que, según estudios astronómicos y geológicos, se ha mantenido constante durante varios miles de millones de años. El origen de esta energía no puede radicar en reacciones químicas, pues si el Sol fuera todo carbono, su combustión completa, proporcionaría energía, al ritmo citado, durante unos pocos miles de años solamente. Otra fuente posible de energía es la transformación de la energía gravitatoria en calor, pero se ha demostrado que si ocurriera una contracción del Sol, no podría proporcionar más del 1% de la energía total producida y la edad del Sol sería de unos 20 millones de años. Esto permitió sugerir que la energía solar tenía origen subatómico o nuclear. Existen muchas reacciones nucleares exotérmicas que liberan energías de varios MeV por partícula de modo que si se pudiera utilizar todos los nucleones comprendidos en 1 g de materia, la energía producida sería del orden de 1012 Julios. Las reacciones de este tipo suministrarían un flujo energético equivalente al detectado en el Sol y las estrellas. El problema radica en encontrar una reacción o reacciones nucleares que dé lugar al flujo observado en las condiciones de temperatura y densidad existentes en el Sol y que no estén en oposición con la información de que se dispone sobre su constitución. El Sol constituye un ejemplo de un tipo de estrellas que pertenecen a la llamada serie principal. La temperatura efectiva de su superficie es de unos 6.000 K mientras que la interna puede llegar hasta unos 20.000.000 K. Las estrellas de la serie principal tienen temperaturas efectivas superficiales que oscilan entre 2.000 K y 50.000 K y densidades que pueden ser de 1/10 a 10 veces la del Sol (ρ=1'41g/cm3 ). Además entre las estrellas de esta serie se incluyen enanas blancas, gigantes rojas, variables, novas y supernovas, cuyas características son: - Las enanas blancas tienen densidades sumamente elevadas que posiblemente llegan hasta 100.000 veces la del Sol y son muy débiles en su luminosidad. - Las gigantes rojas tienen densidades muy bajas y luminosidades intensas. - Las estrellas variables presentan oscilaciones periódicas o irregulares de luminosidad y de temperatura superficial. - Las novas y supernovas presentan bruscamente aumentos considerables de luminosidad. Entre estos tipos diferentes de estrellas se observan variaciones de sus condiciones internas, temperatura, densidad, presión y composición química, debiendo existir, por tanto, diferentes mecanismos de producción de energía. En ellas pueden tener lugar procesos nucleares diferentes fundados en diversos conjuntos de reacciones. Apoyándonos fundamentalmente en los datos obtenidos del estudio del Sol, puede afirmarse que la fisión nuclear de elementos pesados no es capaz de proporcionar la energía emitida por él, porque la abundancia de los elementos pesados en el Sol es demasiado pequeña para explicar el flujo energético emitido y la vida del astro. En el sol 18/ 29 www.eltemario.com © Antonio Abrisqueta García, 1999 Oposiciones Secundaria – Física y Química Temario Específico – Tema 37 predominan los elementos ligeros, formando el H y el He el 90% de la masa solar en partes aproximadamente iguales. A partir de esta composición química parece probable que sean ellos quienes intervengan en las reacciones nucleares, lo cual no contradice las propiedades nucleares de ambos elementos, pues, si suponemos que se combinan 4 protones para formar un núcleo de helio, el proceso es exotérmico como demuestra el balance de masas: E = c 2 [m( 4 H ) − m( He )] = 26'7 MeV = 42'7.10 −13 Julios Así pues, por cada protón destruido se producirán ≈10-13 julios y por 1 g de materia solar, que contiene unos 2.1023 protones, se producirán ≈2.1011 Julios/gr, cifra cuyo orden de magnitud corresponde al observado. Sin embargo, debe excluirse la posibilidad de que choquen cuatro protones para formar un núcleo de Helio, pues en las condiciones existentes en el Sol, la probabilidad de que esto suceda es mínima. Parece más probable que los cuatro protones lleguen a formar el núcleo de Helio a través de una serie de reacciones nucleares sucesivas, es decir, mediante una reacción nuclear cíclica. Las velocidades de las reacciones dependen del número de núcleos por unidad de volumen y de la temperatura. A mayor temperatura, más rápido es el movimiento térmico de las partículas, más frecuentes las colisiones y mayor la energía con que ocurren. A las temperaturas estelares de 10 a 20 millones de grados Kelvin, las energías resultantes del movimiento térmico son del orden de 1 KeV (a la temperatura ambiente de la Tierra, la energía correspondiente es de 1/40 eV). Las reacciones que tienen lugar en estas condiciones se llaman Reacciones Termonucleares. 3.1.1. Cadena de protones y Ciclo Carbono-Nitrógeno. Como origen de la energía solar y demás estrellas de la serie principal, se han propuesto dos series de reacciones termonucleares: A) La primera, denominada a veces reacción en cadena de protones está constituida por las reacciones siguientes: 1 1 2 + + 0’42 MeV 1 H +1 H →1 H + β + ν 1 2 3 seguida de: + 5’50 MeV 1 H +1 H →2 He + γ Cada una de éstas se verifica dos veces y da lugar a: 3 3 4 1 1 + 12’84 MeV 2 He + 2 He →2 He+1 H +1 H y el efecto conjunto es por tanto: 4 21 H → 24 He + 2 β+ + 2ν + 2γ liberándose una cantidad total de energía de 26'7 MeV (o 26'2 MeV si se resta la energía cinética de los neutrinos). Los positrones β+ emitidos se aniquilan con electrones libres produciéndose emisión de rayos γ. ( ) La producción de un núcleo de Helio a partir de cuatro protones es un ejemplo del proceso llamado Fusión Nuclear por el que se forma un elemento más pesado a partir de uno o varios más ligeros. B) La segunda serie de reacciones termonucleares, fue propuesta por Bethe, en 1939, y constituye el conocido Ciclo del Carbono y del Nitrógeno, o Ciclo de Bethe. Este investigador averiguó que las reacciones en que intervienen el Carbono y el Nitró- 19/ 29 www.eltemario.com © Antonio Abrisqueta García, 1999 Oposiciones Secundaria – Física y Química Temario Específico – Tema 37 geno presentan la propiedad notable de poderse ordenar dentro de un ciclo donde dichos núcleos no se consuman, sino que se regeneran, actuando como catalizadores de una serie de reacciones en las que 4 protones se transforman en un núcleo de Helio. El ciclo se compone de las siguientes reacciones: 12 1 13 13 6 C +1 H → 7 N → 7 N + γ [ ] 13 7 13 6 N →136 C + β + + ν [ N ]→ N + H → [ O ]→ C+ H → 14 7 15 7 14 7 14 7 1 1 15 8 15 8 [ O]→ 16 8 T=2’1 min ( ) * O +γ O→157 N + β + + ν N +11H → ( ) N +γ 1 1 15 8 T=9’9 min 12 6 * O+ 24He Esta cadena de reacciones puede ser iniciada indistintamente con Nitrógeno o con Carbono, ya que cada uno de ellos se reproduce en la misma. La única diferencia es que en uno de cada 10 casos, la última reacción conduce a la formación de 168 O + γ . Como los positrones se combinan con electrones libres dando rayos γ el resultado neto del ciclo es la combinación de cuatro protones para dar lugar a un núcleo de Helio, con la consiguiente liberación de energía. La energía obtenida es de 25'7 MeV, de la cual, una pequeña parte es arrastrada por los neutrinos durante las fases radiactivas del ciclo, reacciones (*). Durante años se creyó que la casi totalidad de la energía del Sol y las estrellas se debía al ciclo Carbono-Nitrógeno, pero a consecuencia de los nuevos datos nucleares, se considera que la reacción en cadena de protones tiene en el Sol una importancia mayor, mientras que por el contrario, la importancia del ciclo Carbono-Nitrógeno es mayor en las estrellas de la serie principal más luminosas que el Sol y cuyas temperaturas centrales son más elevadas. Se han sugerido ciertas reacciones nucleares para explicar la producción de energía en las estrellas que difieren mucho del Sol. Es probable que existan estrellas que fueron originariamente parecidas al Sol pero que por su elevada luminosidad y velocidad de conversión del Hidrógeno en Helio, hayan agotado ya la cantidad existente del primero, y su temperatura no será, probablemente, lo suficientemente elevada para que se produzcan reacciones nucleares entre núcleos de Helio. Cabe esperar que sufran una contracción gravitatoria hasta que su densidad central y su temperatura se eleven cons iderablemente (T ≈ 2.108 K) pudiendo entonces ocurrir las siguientes reacciones: 4 4 8 2 He + 2 He + 95 KeV →4 Be 4 2 Una vez producido un núcleo de do lugar a un núcleo de 16 8 He + 48 Be →126 C + 7'4MeV 12 6 C puede sufrir otra reacción del tipo (α,γ) dan- O y la generación de 7 MeV. C + 24 He →168 O + γ + 7MeV De este modo, es posible que se produzca energía en ciertas estrellas mediante reacciones de fusión de núcleos más pesados que el Helio, pues una vez agotado todo el Helio por las dos últimas reacciones puede originarse una nueva contracción de las estrellas, elevándose su temperatura y surgiendo las condiciones adecuadas para la formación de átomos de masa atómica media. Se ha comprobado que la zona de números másicos inmediata a 60 es la más estable y que cualquier combinación apreciable de estos 12 6 20/ 29 www.eltemario.com © Antonio Abrisqueta García, 1999 Oposiciones Secundaria – Física y Química Temario Específico – Tema 37 átomos para formar otros núcleos más pesados conduce a reacciones endotérmicas más que a exotérmicas. Apoyándose en esta evolución de las estrellas, se ha sugerido que las reacciones endotérmicas podía explicar el súbito desmoronamiento de una estrella, identificado por la brusca aparición de una supernova. 3.2. Fusión de núcleos ligeros. La fusión nuclear puede considerarse como el proceso inverso de la escisión, es decir, al menos uno de los núcleos producto de la reacción nuclear posee mayor masa que cualquiera de los núcleos reaccionantes iniciales. La fusión nuclear conduce a la liberación de energía en los casos en que la masa total de los núcleos resultantes es inferior a la masa total de los núcleos reaccionantes, lo cual suele suceder para aquellos núcleos ligeros de números másicos A1 y A2 tales que se cumpla que A1 +A2 <60. Ya hemos visto varias reacciones de este tipo al estudiar la energía estelar, como la reacción en cadena de protones y el ciclo del Carbono-Nitrógeno. En la fig.l que nos da la curva de la energía media de ligadura por nucleón observamos que presenta una pendiente muy pronunciada para valores A<12 lo que indica que la fusión de los elementos muy ligeros liberará cantidades mayores de energía. La curva tiene pendiente negativa a partir del núcleo de A=60. Las reacciones consideradas anteriormente en la cadena protón-protón son ejemplos de fusión nuclear, sin embargo tales reacciones se verifican con una probabilidad muy pequeña, por lo que dicho ciclo requiere un total de tiempo de varios millones de años. Unicamente por la gran masa de las estrellas, dichos procesos explican la emisión de energía estelar. La realización por el hombre, de procesos de fusión nuclear en el laboratorio, viene limitada a las reacciones de síntesis con núcleos ligeros que se verifiquen con gran probabilidad, o sea, en gran extensión y rapidez, a temperaturas lo menos altas posibles, si bien, siempre superiores al millón de grados. Las reacciones más adecuadas son: 2 2 3 2 + 4’02 MeV 1 H + 1 H →1 H +1 H o bien 2 1 H + 21 H →23 He + 01 n + 3’25 MeV Las secciones eficaces para estas dos reacciones son prácticamente iguales, siendo mucho mayores las correspondientes a la reacción entre Deuterio y Tritio, la cual libera mucha más energía por cada unidad de masa atómica que interviene en la misma. 2 3 4 1 + 17’6 MeV 1 H +1 H →2 He +0 n La reacción entre Deuterio y Helio-3 es también más energética pero tiene una menor sección eficaz: 2 3 4 1 1 H + 2 He →2 He +1 H + 18’3 MeV Tanto Tritio como Helio son productos de la reacción Deuterón+Deuterón. Cada uno de ellos puede producirse en un acelerador de partículas adecuado. Aunque todas las reacciones son exotérmicas, la cantidad de energía cedida es sólo una fracción muy pequeña de la energía suministrada por el acelerador, por tanto, se hace preciso idear otros métodos que permitan utilizar dichas reacciones como fuentes de energía. 21/ 29 www.eltemario.com © Antonio Abrisqueta García, 1999 Oposiciones Secundaria – Física y Química Temario Específico – Tema 37 3.2.1. La Bomba de Hidrógeno. De lo anterior, resulta obvio que un posible método para producir la reacción de fusión nuclear sería a partir de una cantidad de Deuterio o de una mezcla de Deuterio y Tritio (en forma de hidrocarburo compacto, hidrocarburo parafínico elevado o mejor de hidruro de Litio) y provocar una gran elevación de la temperatura. El orden de magnitud de ésta puede deducirse del hecho de que las anteriores reacciones se producen cuando los deuterones son acelerados hasta energías superiores a 10 KeV. Recordemos que los llamados neutrones térmicos (que se encuentran en equilibrio con la materia a temperatura ambiente 300 K) poseen por término medio una energía de 1/40 eV. Por cons iguiente: 1 eV ≈12.000 K 1 KeV ≈12.000.000 K 10 KeV ≈120.000.000 K La explosión de una bomba de fisión de Uranio (bomba atómica) permite obtener temperaturas de este orden de magnitud y como el proceso de fusión desprende gran cantidad de energía, la temperatura se elevará mucho más y el proceso tendrá carácter explosivo. El dispositivo adecuado constituye la llamada bomba de Hidrógeno o termonuclear. Han fracasado todos los intentos de producir reacciones de fusión termonuclear controladas hasta el punto de que todos los trabajos realizados sobre este tema, considerados secretos, se hicieron públicos en 1958. Ello hace posible atacar el problema por los métodos científicos ordinarios: estudio cuidadoso de las propiedades de un gas completamente ionizado o plasma, el cual, en casi todos los casos se trata de Deuterio. Los físicos estudian de nuevo este tema con métodos más elaborados e ingeniosos a la luz de las nuevas ideas de la mecánica ondulatoria y de la electrodinámica cuántica. 4. SITUACIÓN ACTUAL DE LA ENERGÍA NUCLEAR 4.1. Reactores Nucleares de Fusión. Confinamiento del Plasma. La energía nuclear de fusión es una fuente inagotable por la gran abundancia de los elementos empleados en sus reacciones, y se ha pensado en ella para resolver el problema energético del futuro. Sin embargo hasta este momento no se ha podido utilizar en la Tierra ya que para lograr reacciones de fusión es necesario suministrar a los núcleos una cierta cantidad de energía, y obtener de las reacciones una energía mucho mayor que la consumida. Para que se produzca la fusión de un núcleo de Deuterio con uno de Tritio es necesario aproximar los núcleos hasta una situación en la que reaccionen perdiendo su identidad, con formación de un núcleo de Helio y un neutrón, con una cierta liberación de energía. Para hacer que los dos núcleos puedan acercarse deben vencer las fuerzas de repulsión, y para ello es necesario calentar el medio hasta temperaturas muy elevadas (millones de grados), transformándose el medio en un plasma formado por iones y electrones. En estas condiciones, las partículas (iones y electrones) tienden a seguir caminos independientes, pudiendo incluso no reaccionar los núcleos entre sí. Para que tengan 22/ 29 www.eltemario.com © Antonio Abrisqueta García, 1999 Oposiciones Secundaria – Física y Química Temario Específico – Tema 37 lugar las reacciones de fusión, una vez alcanzadas las condiciones mínimas, es preciso confinar el plasma para que no escapen las partículas y puedan reaccionar la mayor parte de los núcleos, obteniéndose así la mayor cantidad de energía posible. Resumiendo: para efectuar reacciones de fusión, la condición necesaria es llevar el medio a una temperatura elevada y para que la fusión sea rentable energéticamente es necesario obtener el mayor número de reacciones de fusión entre los núcleos de un volumen determinado, para lo cual el plasma deberá confinarse el mayor tiempo posible. El físico inglés Lawson estableció una relación entre dos magnitudes, que son Densidad de Núcleos, (n) y Tiempo de Confinamiento, (t), para definir la condición de ganancia neta nula, es decir, que la energía gastada para calentar y confinar el plasma fuera recuperada en las reacciones de fusión. Esta relación, conocida como criterio de Lawson, viene dada mediante el producto de dichas magnitudes, cuyo valor para el caso de la reacción de fusión del Deuterio-Tritio es: n.t = 1014 (16) Para alcanzar dicho criterio se han establecido dos líneas de investigación en la fusión caracterizadas por la forma en la que se realiza el confinamiento del plasma: la magnética y la inercial. La fusión por confinamiento magnético utiliza campos electromagnéticos para hacer que las partículas del plasma se aceleren en las líneas del campo, evitando que sigan caminos aleatorios, y pueden así reaccionar con más facilidad. En este caso, las fases de calentamiento y confinamiento se hacen separadas. Se comienza con la aplicación de una corriente eléctrica a los iones del plasma aumentando su temperatura mediante la aceleración de los mismos. Como ese sistema es insuficiente para alcanzar las condiciones de fusión, se bombardea el plasma con partículas neutras de alta energía, que comunican energía por choques a los iones del plasma, aumentando así la temperatura. Finalmente, la aplicación de radiofrecuencia consigue mediante excitaciones aumentar la temperatura hasta las condiciones de fusión. Al mismo tiempo, la aplicación del campo magnético permite que el plasma se confine y no escape del recinto, produciéndose la propagación final de las reacciones de fusión al resto del combustible. En estos sistemas, el tiempo de confinamiento es del orden de milésimas de segundo. La fusión por confinamiento inercial consiste en efectuar las fases de calentamiento y confinamiento al mismo tiempo, utilizando el mismo dispositivo suministrador de energía. Para ello se ha visto que el empleo del Láser o de haces de iones procedentes de un acelerador, son capaces de poder suministrar la energía necesaria para efectuar la fusión de unas microesferas de Deuterio y Tritio. La energía procedente de estos aparatos se deposita en las capas externas de estas microesferas produciendo un efecto de ablación con una aceleración de las capas más internas aumentando su densidad, y llevando al plasma a la situación en que se alcanza la temperatura mínima para comenzar las reacciones de fusión, las cuales se propagan muy rápidamente. En estos sistemas los tiempos de confinamiento son del orden de nanosegundos. Para llegar al criterio de Lawson, la potencia que debe tener el láser debe ser de 10 watios, es decir, de unos 105 julios durante un nanosegundo (10-9 s), lo que puede conseguirse con el desarrollo de láseres de alta potencia. 14 23/ 29 www.eltemario.com © Antonio Abrisqueta García, 1999 Oposiciones Secundaria – Física y Química Temario Específico – Tema 37 En el proceso científico-tecnológico a desarrollar para conseguir producir energía eléctrica a partir de los procesos de fusión nuclear podemos distinguir tres etapas fundamentales: -Demostración científica. -Desarrollo de prototipos. -Desarrollo de un reactor comercial. 5. RESIDUOS NUCLEARES 5.1. Naturaleza y eliminación de los residuos nucleares. En el seno del combustible nuclear durante la ejecución de las reacciones de fisión, se producen una gran cantidad de productos radiactivos, cuya radiación puede dañar seriamente la salud de las personas y del medio ambiente, si no se mantienen controlados y confinados. Por tanto, el origen del riesgo en las centrales nucleares se encuentra en la presencia y posible escape de las radiaciones y de los productos radiactivos producidos en el reactor. Por este motivo, el objetivo fundamental de la seguridad nuclear consiste en diseñar, construir y operar las centrales nucleares para obtener de forma segura la producción de energía eléctrica, es decir, que se haga sin que ello suponga un riesgo superior al tolerable para la población y para los trabajadores de la central. Los caminos de escape de la radiación y los productos radiactivos, suelen ser similares en cualquier tipo de central nuclear; sin embargo, nos vamos a referir a las centrales de agua ligera ya que son las más abundantes en el mundo occidental. En un reactor de este tipo, para impedir el escape de la radiación y de los productos radiactivos, se han definido cuatro barreras físicas, que explicaremos a continuación. El combustible nuclear que es un combustible cerámico, formado por pastillas de óxido de Uranio sintetizado de alta densidad, constituye en sí la primera barrera, pues retiene una gran cantidad de productos de fisión que no pasan a la vaina. Normalmente, a la temperatura de funcionamiento retiene todos los productos de fisión sólidos y el 90% de los gases y volátiles producidos. La segunda barrera es la vaina o varilla donde van apiladas herméticamente las pastillas de UO 2 y no dejan pasar a los productos de fisión. Sin embargo, en el diseño de la central se admite una pequeña proporción de defectos mecánicos en las vainas, sie mpre que los productos de fisión no sobrepasen el 2% del total en el circuito primario. La tercera barrera es el circuito primario o circuito de presión que está integrado por la vasija del reactor que es de acero especial de 20 a 25 cm de espesor, revestida interiormente de acero inoxidable, de las bombas de refrigeración, intercambiadores de calor y tuberías de conexión entre los distintos elementos. La cuarta barrera es el edificio de contención, construido de hormigón armado, sobre una losa también de hormigón de más de 3 m de espesor. Todo este edificio va recubierto interiormente de una chapa de acero para asegurar la hermeticidad del edificio. La misión de este edificio, tanto en las centrales a presión o a ebullición, aunque de 24/ 29 www.eltemario.com © Antonio Abrisqueta García, 1999 Oposiciones Secundaria – Física y Química Temario Específico – Tema 37 diferente diseño, es la de asegurar el confinamiento del circuito primario, en caso de rotura del mismo y evitar la fuga de los productos de fisión al exterior. Es, por tanto, la misión de la seguridad nuclear mantener intactas estas barreras físicas, tanto durante la explotación normal de la central, como en el caso de accidentes. Además de los productos de fisión que están confinados en las vainas del combustible, y que en las operaciones normales, no deberán pasar al refrigerante, se producen una serie de productos radiactivos que se presentan en forma de desechos sólidos, líquidos o gaseosos. Los residuos sólidos típicos son: barros filtrados y resinas, residuos de concentración de líquidos, filtros de descontaminación y equipos o materiales sólidos contaminados. Para su tratamiento se usa el sistema de residuos sólidos, que primero se almacenan hasta que haya disminuido suficientemente la radiactividad, después se procede a una disminución de volumen mediante un prensado y finalmente, se encierran en bidones para su posterior almacenamiento. Los residuos líquidos provienen de la activación del refrigerante del reactor, de la activación de los productos de corrosión y de los productos de fisión que hayan podido escapar a través de las vainas de combustible. Otros proceden del laboratorio y lavandería. Estos residuos son tratados por el sistema de residuos líquidos, sometiéndolos a diversos procesos, para después almacenarlos de forma segura. Algunos de ellos se recirculan de nuevo al reactor y otros se concentran mediante evaporación y posteriormente encerrados en bidones por diversas técnicas (hormigonado, asfaltización, etc.). Los residuos gaseosos pueden ser de dos clases: a) Productos de fisión que pueden escapar a través de defectos de los elementos combustibles, tales como los gases nobles (Kr y Xe). b) Productos de activación neutrónica (isótopos de N y O). El sistema de tratamiento de residuos gaseosos, se encarga de efectuar la retención de los mismos y su posterior filtración. Los gases que son inocuos pueden ser evaporados al exterior. La seguridad de la central durante la explotación se realiza con los sistemas antes descritos, complementados con la inspección, vigilancia y comprobación periódica de los mismos, mediante ensayos prescritos. Aparte de los rigurosos controles dentro del emplazamiento de la central, se lleva acabo un plan de vigilancia ambiental en la zona de los alrededores de la misma, durante todo el periodo de la explotación y consta de: -Toma de datos de dosis en las estaciones ambientales. -Toma de muestras de la fauna y flora de la zona. -Toma de muestras de agua, aire y leche. -Preparación y recuento radiológico de las distintas muestras. -Evaluación radiológica y cálculo de dosis acumuladas. 25/ 29 www.eltemario.com © Antonio Abrisqueta García, 1999 Oposiciones Secundaria – Física y Química Temario Específico – Tema 37 5.2. Repercusión sobre la salud pública. Los efectos que la radiación produce en el medio han sido desgraciadamente conocidos desde sus orígenes, teniendo su punto culminante en Hiroshima y Nagasaki. Desde ese momento ha existido una intensa preocupación por parte de todos los países en llegar a conocer las últimas consecuencias de la radiación, especialmente en aquella procedente de las aplicaciones pacíficas, tales como el empleo de los radioisótopos y del uso energético de las reacciones de fisión y de fusión. Las radiaciones actúan sobre los organismos vivos, ionizando y excitando a los constituyentes celulares, afectando la composición química de la materia que atraviesan. En los tejidos vivos, se produce una pérdida de las funciones celulares, cuya importancia depende de la dosis absorbida. Se han de establecer previamente unos parámetros adecuados para la medida de las radiaciones absorbidas por las células, o sea medida de las dosis absorbidas. Las magnitudes que se utilizan en la irradiación de los materiales son: La exposición, J, o capacidad de la radiación electromagnética de ionizar el aire y se define como la relación entre la carga, Q, total de iones producida a la masa, m, del aire. Se en Röntgen (R) o en C/Kg, si se trabaja en el Sistema Internacional. Q C J= 1R = 2'58.10 −4 C / Kg ( aire ) = 1'610.1015 iones / Kg ( aire) (16) m Kg La dosis absorbida, D, se define como la fracción de la energía absorbida por cada unidad de masa de material irradiado. Su unidad del Sistema Internacional es el Gray, aunque también se utiliza el rad. E J D= = Gray (17) m Kg La relación entre ambas, o sea, la dosis absorbida para una determinada exposición depende del material irradiado, pues ambas son proporcionales y relacionadas por una constante de proporcionalidad, f, llamado factor de proporcionalidad: D = f .J (18) donde el factor de proporcionalidad f es característico del material y depende de su densidad y de su coeficiente de absorción de energía. La dosis equivalente, DE, que es proporcional a la dosis absorbida D, permite medir los efectos biológicos de la radiación. Se define como: DE = χ.D (19) siendo la constante de proporcionalidad, χ, el llamado factor de calidad y depende del tipo y energía de la radiación. La dosis equivalente se mide, en el Sistema Internacional en Sievert (Sv) y también en rem (röntgen equivalent man): J 1 Sievert ( Sv) = 1 = 100 rem Kg Se denominan dosis máxima permisible (DMP), a aquella dosis de radiación ionizante que no causa lesiones corporales apreciables a una persona, entendiendo, sin embargo, que toda radiación produce un daño biológico a nivel celular. 26/ 29 www.eltemario.com © Antonio Abrisqueta García, 1999 Oposiciones Secundaria – Física y Química Temario Específico – Tema 37 El conocimiento de los efectos biológicos de las radiaciones sobre los organismos vivos procede de estudios minuciosos, ya que no todas las células tienen comportamientos iguales. Normalmente existe un periodo de latencia entre el momento en que se produce la irradiación y se comienzan a manifestar los efectos. Este periodo es muy variable, pudiendo ser de sólo unos pocos minutos en casos de dosis elevadas, o de varios años en casos de dosis bajas recibidas durante largos periodos de tiempo. Según esto, los efectos biológicos se suelen clasificar en tres gr upos. 1. Al primer grupo corresponden aquellos efectos funcionales que tienen lugar como consecuencia inmediata de irradiaciones agudas, que se manifiestan mediante náuseas, vómitos, hemorragias, quemaduras y en el último caso, la muerte. Existe una proporcionalidad entre el daño causado y la dosis recibida. Estudios realizados por irradiaciones agudas han concluido en establecer el siguiente baremo: - Por debajo de 25 rem de irradiación al cuerpo, pueden producirse manifestaciones leves, recuperables al cabo del tiempo, lo cual puede concluirse como que toda irradiación aguda por debajo de 25 rem puede considerarse funcionalmente como despreciable. - Alrededor de 100 rem se producen lesiones importantes que pueden durar algunas semanas y que en algunas personas puede ocasionar la muerte. - Se establece un nivel del 50% de letalidad alrededor de 350-400 rem. La mitad de las personas mueren al cabo de varias semanas, mientras que la otra mitad lo superan. - Por encima de 1000 rem la supervivencia es imposible. 2. El segundo grupo de efectos se desarrolla a largo plazo y son de tipo oncológico. La probabilidad de aparición de cáncer es proporcional a la dosis colectiva recibida por la población. Este periodo se estima alrededor de los 30 años en el cual se calcula la dosis colectiva integrada. Estos efectos, al igual que los del tercer grupo, son estocásticos, es decir, sólo se puede hablar de ellos en términos de probabilidad. 3. El tercer grupo a considerar son los efectos genéticos, que se deben a lesiones en los cromosomas. Se estima que una dosis de 100 rem duplica la tasa espontánea de mutaciones, dándose como referencia la aparición de un enfermo hereditario por cada 10.000 rem/hombre. 27/ 29 www.eltemario.com © Antonio Abrisqueta García, 1999 Oposiciones Secundaria – Física y Química Temario Específico – Tema 37 BIBLIOGRAFÍA RECOMENDADA Henry SEMAT. Física Atómica y Nuclear. Editorial Aguilar. 1966. MADRID. Irving KAPLAN. Física Nuclear. Editorial Aguilar. 1962. MADRID. Iniciación al estudio de la ENERGÍA NUCLEAR. Diversos autores. Junta de Energía Nuclear. Ministerio de Educación Nacional. 1965. MADRID. Santiago BURBANO DE ERCILLA, Enrique BURBANO GARCÍA y Carlos GRACIA MUÑOZ. Física General. XXXI Edición. Mira Editores. 1993. ZARAGOZA. La eliminación de los residuos radiactivos. Bernard L.COHEN. Revista INVESTIGACION Y CIENCIA:. Número 11. Agosto/1977. 28/ 29 www.eltemario.com © Antonio Abrisqueta García, 1999 Oposiciones Secundaria – Física y Química Temario Específico – Tema 37 Tratamiento Didáctico ---------------------------------------------------------------------------------------------------------OBJETIVOS Dar una visión de energía nuclear y las consecuencias que se derivan de su utilización para fines pacíficos y no pacíficos. Introducir al alumno en el mundo de la energía nuclear con un conocimiento objetivo, para estudiar y conocer sus aspectos tanto positivos como negativos. Conocer la problemática creada alrededor de la energía nuclear, especialmente su incidencia en el organismo humano y en la naturaleza así como los problemas planteados con los residuos nucleares. UBICACIÓN El tema será ubicado, a un nivel muy elemental y de introducción, en el 2° curso de bachillerato, dentro del núcleo temático de Aplicaciones de la Física Moderna. TEMPORALIZACION La exposición del tema depende de la profundidad con que se imparta su contenido, pero exige al menos 8 horas de clase teórica, equivalente a 2 semanas. METODOLOGIA Exposición y explicación clara y concisa de los conceptos fundamentales del tema de energía nuclear, especialmente la fisión y fusión nuclear. Es un tema fundamentalmente descriptivo y experimental con multitud de aplicaciones técnicas y prácticas, de una materia controvertida en plena actualidad y debe explicarse exhaustivamente y con precisión y con la prudencia requerida a lo delicado de la cuestión, especialmente en la utilización pacífica de la energía nuclear, por sus connotaciones sociales y políticas. CONTENIDOS MINIMOS Energía de enlace nuclear. Defecto másico. Energía de enlace por nucleón. Reacciones de fisión. Emisión de neutrones. Clases de neutrones. Condiciones de la fisión. La fisión como fuente de energía. La bomba atómica. El reactor atómico. Reacciones de fusión nuclear. Energía estelar. Mecanismos de reacciones de fusión nuclear. La fusión como fuente de energía. La bomba termonuclear. Residuos nucleares. MATERIALES Y RECURSOS DIDACTICOS Apuntes de clase, que serán complementados con libros de consulta y revistas científicas con artículos sobre los últimos trabajos de investigación; recomendamos INVESTIGACION y CIENCIA, versión española de Scientific American. Transparencias para retroproyector sobre elementos gráficos del tema, fundamentales para la explicación: reacciones nucleares, reactores nucleares, ciclos estelares, etc. EVALUACIÓN Ejercicio escrito sobre cuestiones teóricas, cuestiones prácticas y problemas relacionados con las reacciones nucleares, reacciones de fisión y fusión, condiciones de realización, reactores nucleares, etc. Prueba escrita de opción múltiple, con preguntas de varias respuestas, relacionadas con las cuestiones de energía nuclear del tema. 29/ 29
