temas de fÍsica y quÍmica (oposiciones de enseñanza...

www.eltemario.com Oposiciones Secundaria – Física y Química© Antonio Abrisqueta García, 1999 Temario Específico – Tema 37

1/29

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. PRO-BLEMÁTICA 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.


2/29

TEMA 37

ENERGÍA NUCLEAR. PRINCIPIO DE CONSERVACIÓN MASA-ENERGÍA.FISIÓN Y FUSIÓN NUCLEAR. SU UTILIZACIÓN. SITUACIÓN ACTUAL. PRO-BLEMÁTICA 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 yde Bohr, contiene prácticamente toda la masa del átomo, posee carga positiva y se ca-racteriza por dos parámetros básicos, que son:

- El número másico, A, que es el número entero más próximo a la masa atómicadel 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) delátomo 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 lasuma de las masas de las partículas constituyentes, protones más neutrones, es decir:

np mNmZ .. +sin embargo, las masas obtenidas experimentalmente con el espectrógrafo de masasresultan menores que las calculadas teóricamente por la expresión anterior.

Esta pérdida de masa, ocurrida aparentemente al unir las partículas individualespara formar el núclido, llamada defecto másico, representa, en términos de energía, laenergía de enlace del núcleo o energía de ligadura. El defecto másico contradice elprincipio de conservación de la masa pues la masa desaparecida se ha transformado enla energía de ligadura que une a los nucleones. Aplicando la ecuación de Einstein, deequivalencia de la masa y la energía, que se expresa así:

2.cmE ∆=∆ (1)el defecto másico ∆m, equivale a la energía correspondiente a la ligadura de un ciertonúmero de protones y neutrones para formar el núcleo:

... núclnp MmNmZm −+=∆ (2)y como resulta más fácil de medir las masas atómicas:

... núclnH MmNmZm −+=∆ (3)siendo: mH= 1'008142 uma mp = 1'007593 uma

mn = 1'008982 uma me = 5'4876.10-4 urnamp/me = 1836'13

El defecto másico expresado en unidades de energía será: [ ]...931)( núclnH MmNmZMeVE −+×=∆ (4)

ecuación que expresa la energía de enlace nuclear o energía de ligadura del núcleo, laenergía que llamamos comúnmente Energía Nuclear.


3/29

1.2. Energía de ligadura por nucleón.

Para obtener la energía de ligadura por nu-cleón, ∆E/A, se divide la energía dada por (4)entre el número másico (A) y la representacióngráfica de esta magnitud para todos los núclidosconocidos se indica en la fig.1.

De ella se deduce que la energía de ligadu-ra por nucleón oscila entre 7'5 y 8'5 MeV paratodos los núclidos a partir del C-12 obteniéndoseun valor máximo alrededor del núclido de A=50, FIG. 1

a partir del cual, desciende lentamente hasta 7'5 MeV para el Uranio.

Los primeros términos hasta el C-12 presentan fuertes oscilaciones siendo el valormáximo el del He-4 con 7'07 MeV. A mayor energía de ligadura por nucleón, mayorestabilidad nuclear, lo que indica que los núclidos más estables, a excepción del He-4 seencuentran alrededor del Fe-56.

La energía nuclear es extraordinariamente elevada en comparación con las ener-gías de enlace químico, las cuales se ponen de manifiesto en las reacciones químicascomo combustión, síntesis o descomposición de compuestos. Así 1 MeV/nucleón equi-vale aproximadamente a 2'31.1010 Kcal/Kg ≅ 26700 kwh/g, lo que indica la elevadamagnitud de las fuerzas nucleares que mantienen unidos a los nucleones, en compara-ción con las fuerzas de enlace entre átomos (enlace químico) que suponen energías delorden 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 intentosrealizados para producir elementos transuránicos (elementos de número atómico supe-rior 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 conneutrones originará nuevos elementos con número atómico superior al del uranio. Si elU-238 captura un neutrón se producirá la siguiente reacción nuclear:

[ ] γ+→→+ UUnU 23992

23992

10

23892

El U23992 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 eluranio con neutrones, se detectaban cuatro actividades distintas, se pensó que una deellas estaría probablemente asociada con el U239

92 e incluso se creyó posible que este nue-vo elemento de Z=93, se desintegraría también con emisión β− dando lugar a un núclidode Z=94. La identificación de estos elementos presentó muchas dificultades, hasta que


4/29

en 1940, se demostró que el bombardeo de U23892 con neutrones lentos se produce cier-

tamente e isótopo U23992 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 vezemite otro electrón con periodo de semidesintegración de 2'3 días, dando lugar a un nú-clido de Z=94 que se le llamó Plutonio, resultando este último mucho más estable.

ePuNp

eNpU01

23994

23993

01

23993

23992

−

−

+→

+→

Sin embargo, aún quedaban sin aclarar las cuatro emisiones diferentes surgidas enlas primeras tentativas de formación de elementos transuránicos por bombardeo de ura-nio con neutrones. Se aplicaron técnicas especiales de separación mediante portadores(los portadores son sustancias especiales de propiedades químicas análogas al elementoque se desea separar, por pertenecer al mismo subgrupo del sistema periódico, y que seañade al elemento en cantidad muy superior a él y luego se precipita por formación deuna sal insoluble, con lo cual el elemento precipita con el portador; por ejemplo, el barioy el radio), para purificar los elementos que producían dichas actividades β, pero el nú-mero resultante de nuevos radioelementos y sus propiedades fueron de tal género que nose pudieron encajar en un sistema coherente con las propiedades de los elementos pesa-dos 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 bombardeodel uranio con neutrones, permitió llegar a una conclusión notable: pudo observarse queademás de los elementos que parecían ser transuránicos aparecían cuatro elementos quese supuso que eran isótopos del Radio, con radiactividad β, ya que coprecipitaban con elbario cuando se utilizaba éste como portador, y sus productos de desintegración pare-cían ser isótopos del Actinio, porque coprecipitaban con el lantano (portador selectivodel actinio).

Estos resultados parecían lógicos pues el Actinio sigue al Radio en el Sistema Pe-riódico, sin embargo quedaron planteados dos nuevos problemas más importantes. Enprimer lugar, la producción de un isótopo del Radio por bombardeo del Uranio conneutrones exige una reacción (n,2α) cuya probabilidad es muy pequeña, especialmentecon neutrones de baja energía.

En segundo lugar, los experimentos químicos que se realizaron posteriormentedemostraron que las propiedades atribuidas al isótopo del Radio no podían diferenciarsede las del Bario utilizado como portador y que tampoco las del producto de su desinte-gración podían diferenciarse de las del Lantano utilizado como portador.

En 1936, Hahn y Strassmann demostraron sin lugar a dudas que los supuestosisótopos del Radio eran en realidad isótopos del Bario y que los isótopos atribuidos alActinio eran isótopos del Lantano. Es obvio que el Lantano se forma por transmutaciónβ del Bario. Demostraron además que uno de los isótopos del Bario procedentes delbombardeo del Uranio podía identificarse por su periodo de semidesintegración (T=86min.) con el núclido Ba139

56 ya conocido y que uno de los isótopos del Lantano se ident i-

ficó con el núclido La14057 también conocido, que tiene un periodo de T=40 horas.


5/29

La producción de los núclidos La14057 y Ba139

56 a partir e Uranio (Z=92) exigía larealización de un tipo de reacción nuclear desconocido hasta entonces, por la cual elnúcleo de Uranio se desdoblaría en fragmentos que serían, a su vez, núclidos de masaatómica intermedia. Si realmente ocurría esto, debían encontrarse núclidos con númerosatómicos aproximadamente iguales a 36, (92−56=36). Hahn y Strassmann descubrieronun isótopo activo del Estroncio (Z=38) y otro de Ytrio (Z=39), así como isótopos delKriptón (Z=36) y Xenón (Z=54).

Los resultados de estas experiencias ponían de relieve que: a) al bombardear nú-cleos 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 ele-vada ionización, como se comprueba en una cámara de ionización adecuada, que acusaenergías de hasta 100 MeV, muy superior a las de las partículas α. Los análisis quími-cos demostraron que además de los productos de reacción ya mencionados, se formabanademás otros núclidos con números másicos intermedios, entre los que se incluyenBromo, Molibdeno, Rubidio, Antimonio, Teluro, Iodo y Cesio.

Existían pues pruebas suficientes del desdoblamiento del núcleo de Uranio, proce-so al que se llamó Fisión Nuclear.

Actualmente puede provocarse, en condiciones adecuadas, la fisión de diferentesnúclidos. Así, por ejemplo, en el bombardeo de pequeñas muestras de isótopos del Ura-nio, separados por un espectrógrafo de masas, se observó que los neutrones lentos pro-vocaban la escisión del U-235 pero no la del U-238, en cambio los neutrones de energíasuperior a 1 MeV provocan la fisión de ambos isótopos.

El Torio y el Protactinio-231 sólo sufren fisión cuando se bombardean con neu-trones rápidos. También puede producirse la fisión del Torio y del Uranio con partículasα de elevada energía, con protones, con deuterones y con rayos γ. Los núclidos de

Pu23994 y U233

92 (formados a partir de U23892 y Th232

90 por reacción (n-γ) seguida de desinte-gración β de los productos de reacción), sufren fisión al bombardearlos con neutroneslentos o rápidos, lo mismo que otros núclidos pesados artificiales.

Además de los dos grandes fragmentos nucleares producidos en la fisión se emi-ten 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 granalcance y también tiene lugar con frecuencia la emisión de núcleos ligeros de masa su-perior a 4 e inferior a 12.

Las investigaciones efectuadas sobre los productos de la fisión del U23592 han de-

mostrado que sus masas se extienden desde A=72 (probablemente un isótopo del 30Zn)hasta A=158 (probablemente un isótopo del 63Eu). Casi un 97% de los núcleos de U235

92

que sufren fisión dan lugar a productos que se pueden reunir en dos grupos: uno ligeroconstituido por núclidos de números másicos entre 85 y 104 y un grupo pesado consti-tuido 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 entre95 y 139.


6/29

En realidad se han detectado más de 60 productos primarios de fisión lo que ponede manifiesto la existencia de, por lo menos, 30 modos distintos de fisión, correspon-diendo a cada uno de ellos la formación de un par de núclidos.

Los fragmentos de fisión tienen un número excesivo de neutrones para ser esta-bles y la mayoría de ellos se desintegra por emisión β inaugurando cada fragmento unacorta serie radiactiva que comprende los productos formados por las sucesivas emisio-nes 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 máslargas y más cortas.

El problema de determinar la masa y número atómico de los elementos de estascadenas es extremadamente difícil, no obstante, después de pacientes investigaciones sehan establecido más de 60 cadenas que comprenden alrededor de 200 radionúclidosdiferentes. Como ejemplo de cadena larga mencionaremos:

CeLaBaCsXe 14058

14057

14056

14055

14054 →→→→

−−−− ββββ Establey como ejemplo de serie corta, tendremos:

SmPmNd 14762

14761

14760 →→

−− ββ (T≈1011 años)serie en la cual, se caracterizó definitivamente el isótopo del elemento de número ató-mico 61 (Prometio) desconocido hasta entonces. También se ha identificado entre losproductos de fisión el elemento de Z=43, que no ha sido encontrado en la naturaleza y alque se denominó Tecnecio, cuyo isótopo Tc99

43 es de vida larga (T≈ 2'2.105 años).

2.3. Energía del proceso de fisión.

En el proceso de fisión nuclear se desprende gran cantidad de energía, mucho ma-yor 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 acompa-ñada de varios neutrones y se pensó que estos neutrones podrían utilizarse para producirla escisión de otros núcleos de Uranio, iniciando así una reacción en cadena capaz deprovocar el desprendimiento de una enorme cantidad de energía.

Puede calcularse la energía total liberada en la fisión nuclear a partir de la masadel núclido de U236

92 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 fina-les de las dos cadenas que corresponden a sus masas respectivas, el Mo95

42 y La13957 , la

suma de sus masas vale: 94'946 + 138'955 = 233'901 uma aceptando los valores calcu-lados con la fórmula semiempírica de la masa. Si consideramos el número de masa re-sultante: 95+139=234 se liberan dos neutrones en este proceso concreto de fisión y lamasa total de los productos de fisión será: 919'235018'2901'233 =+ umamientras que la masa del isótopo U235

92 es de 235'124 uma por lo que la del núcleo com-

puesto [ ]U23692 se aproxima a: 133'236009'1124'235 =+ uma

el exceso de masa que se transforma en energía vale pues:214'0919'235133'236 =−=∆m uma 931× MeV/uma =198 MeV

Aunque existen por lo menos 30 modos diferentes de división del núcleo por fi-sión, el exceso de masa es aproximadamente el mismo para todos los procesos. Este


7/29

valor de la energía de fisión es superior al que se desprende en la desintegración mediade la partícula α (5 a 10 MeV) y enormemente superior al que se desprende en un pro-ceso de combustión química (≈4 eV).

La cantidad total de energía liberada por fisión es la suma de la energía cinética delos fragmentos de fisión, de la energía cinética de los neutrones emitidos, de la energíacinética de los rayos γ inmediatos y de la energía total que interviene en los procesos dedesintegración 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 inmediata-mente después de la fisión, pero en un tiempo demasiado corto para ser medido, proba-blemente inferior a 10-15 s. Tales neutrones se denominan inmediatos. Más tarde puedenemitirse 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 investi-gadores Bohr y Wheeler (1939) utilizaron el modelo de la gota líquida en su teoría de lafisión nuclear, la cual, según ellos, se efectúa en dos etapas:

1. Formación de un núcleo compuesto en el cual, la energía es almacenada tem-poralmente entre los diferentes grados de libertad de los nucleones de maneraanáloga a la agitación térmica de un líquido.

2. Transformación de una porción suficiente de esta energía en energía potencialde 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 elnúcleo como una gota líquida y esférica (a), su forma depende del equilibrio de las fuer-zas de tensión superficial y de repulsión electrostática. Si se añade energía a la gota, porla captura de un neutrón lento aparecen oscilaciones en el seno de la misma que le hacenperder su esfericidad y la transforman en un elipsoide. Si la energía de excitación essuficientemente grande, la gota puede alcanzar una forma alargada con un estrecha-miento (b) y se divide en dos para formar dos núcleos de números atómicos A1 y A2 y deradios r1 y r2. La distancia entre sus centros será mayor que r1+r2 y en este momentoestos 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, probable-mente mayor que el alcance de las fuerzas nucleares, de modo que estos núcleos se en-cuentran bajo la acción de las fuerzas repulsivas electrostáticas debidas a sus cargaseléctricas. Esto se deduce del hecho de que la suma de las energías cinéticas de estosnúcleos es inferior a la energía liberada en el proceso de fisión. Por tanto, en el mo-mento de la escisión, los núclidos A1(Z1) y A2(Z2) se hallarán en estados sumamente


8/29

excitados. Parte de esta energía es liberada casi instantáneamente y arrastrada por neu-trones inmediatos. El exceso restante de energía se libera cuando dichos núclidos ad-quieren configuraciones más estables por expulsión de neutrones e incluso partículasmás 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 enlos distintos pasos de la fig.2, en función del grado de deformación de la misma, medidopor el parámetro r, distancia entre los núcleos A1 y A2. En el caso de r=0, o sea, cuandola gota nuclear tiene la forma esférica, la energía potencial E disponible viene dada por:

( ) ( ) ( )[ ]NmNmNmcE AZ

AZ

AZ

2

2

1

1

20 −−= (5)

El valor de E0 corresponde al estado fundamental del núcleo compuesto formadocuando el núcleo bombardeado captura un neutrón pero no incluye la energía de excita-ción resultante.

Cuando r>R1+R2, la energía correspondiente es de naturaleza electrostática resul-tante de la repulsión mutua de los dos fragmentos nucleares y dicha energía será:

reZZ 2

21 (6)

Cuando los dos fragmentos nucleares están exactamente en contacto, es decir, pa-ra r=R1+R2, la energía electrostática será máxima y vendrá representada por Ec:

21

221

RReZZ

Ec += (7)

Cuando r<R1+R2 la energía disponible depende no sólo de las fuerzas de repul-sión electrostáticas sino de las fuerzas de tensión superficial producidas por las fuerzasnucleares, 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 nú-cleos estables cuyo valor de A es algo mayor de 100 son del tipo I y les correspondeE0≅50 MeV inferior al de Ec.

Tipo II. Los núcleos análogos al Uranio, Torio y Plutonio, son del tipo II para loscuales Ec-E0 vale aproximadamente 6 MeV.

Tipo III. Para los núcleos todavía más pesados (transuránicos) E0 debe ser supe-rior a Ec, por lo que deben sufrir espontáneamente la escisión nuclear y no es de esperarque 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 serestables con respecto a la fisión, pero según la mecánica cuántica existe cierta probabi-lidad de que se fisionen espontáneamente. En el U-238 (el más abundante en la natura-leza) se producen aproximadamente 25 fisiones espontáneas por gramo y hora y el pe-riodo correspondiente a este proceso es T≈1017 años.

Mediante la teoría de Bohr-Wheeler se ha calculado la energía de activaciónE=Ec-E0 necesaria para producir la fisión de un núcleo del tipo II. La adición de un solo


9/29

neutrón lento al núcleo bombardeado origina un núcleo compuesto que se halla siempreen estado excitado. El exceso de energía es sencillamente la energía de ligadura delneutrón añadido, En. Si En>E, la incorporación de un neutrón lento al núcleo basta paraconseguir la configuración inestable del núcleo compuesto que produce la escisión.Cuando En<E, la captura de neutrones lentos no puede producir la fisión, sin embargopuede obtenerse la energía adicional necesaria incrementado la energía cinética de losneutrones incidentes.

La energía En debe calcularse mediante la fórmula semiempírica de la energía deligadura o a partir de la masa de los núcleos y partículas que intervienen en el procesocuando 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 deuna nueva fuente de energía si por cada neutrón que producía fisión se emitía más de unsólo neutrón.

En 1936, bombardeando óxido de uranio o uranio natural con neutrones lentos, sedetectaron los neutrones producidos en la fisión, mediante una cámara de ionización dealta presión que contenía Hidrógeno y Argón. La cámara se conectaba a un oscilógrafoque registraba fotográficamente los impulsos debidos a los protones de rechazo origina-dos por choques con neutrones de fisión de alta energía. Así se obtuvo la distribución dela energía de los neutrones, así como el promedio de los emitidos por fisión. Para esteúltimo parámetro se obtuvo el valor de 2'3 neutrones/fisión. El valor generalmenteaceptado actualmente, se designa por ν y es:

03'047'2 ±=ν neutrones/fisiónpara 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 0'0253eV que igualando a kT (k=constante de Boltzmann) se obtiene para T=293'6 K igual a20'5°C como temperatura correspondiente a estos neutrones lentos.

El valor atribuido a ν para la fisión del U-238 con neutrones rápidos (≈2 MeV) esde 2'55 neutrones/fisión. Según puede verse, el número de neutrones liberados en amboscasos es superior a 2. El número de neutrones liberados en un proceso único de fisióndebe ser, evidentemente un número entero, pero como el núcleo fisionable puede escin-dirse de 30 modos diferentes, por lo menos el número medio de neutrones liberados enla 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 in-mediatos y retardados.

Los neutrones inmediatos suponen más del 99% del total y se emiten dentro de unintervalo de tiempo sumamente corto después de la fisión, posiblemente l0-15 s. Se su-pone que el núcleo compuesto U-236 se desdobla en dos fragmentos, cada uno de loscuales tiene un número excesivo de neutrones para ser estable. Al mismo tiempo seemiten rayos γ inmediatos.


10/29

Los neutrones retardados, que constituyen aproximadamente un 0'73% del totalde los emitidos en la fisión del U-235, se emiten con intensidad decreciente durantevarios minutos después de la fisión. Estudiando la velocidad de disminución de dichaintensidad de neutrones se han observado cinco grupos bien definidos de neutrones re-tardados para cada uno de los cuales la velocidad de disminución de la intensidad co-rrespondiente es exponencial, como en otras formas de desintegración radiactiva, pu-diéndose atribuir a cada grupo un periodo de semidesintegración que para el caso del U-235 son: 0'43, 1'52, 4'51, 22, y 55'6 segundos.

En la fisión térmica del Pu23994 y del U233

92 y en la fisión con neutrones rápidos del

U23892 y del Th232

90 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 in-fluencia sobre el comportamiento de un reactor nuclear fundado en una reacción en ca-dena sostenida por neutrones térmicos y desempeñan un importante papel en el controldel 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 ydel Iodo. El producto de fisión Br87

35 es un emisor β con un periodo entre 55 y 56 s y su

descendiente Kr8736 puede formarse en un estado tan excitado como para emitir un neu-

trón (energía de excitación superior a la energía de ligadura del neutrón) y formar unnúcleo estable de Kr86

36 . La velocidad con que se emiten los neutrones dependerá de lavelocidad con que se forme el núcleo excitado Kr-87 que a su vez depende de la veloci-dad de desintegración del Br-87. Por tanto el periodo correspondiente a la emisión deneutrones por el Kr-87 debe ser el mismo que el de la desintegración β del Br-87.

También, el producto de fisión I13753 emite partículas β con periodo entre 19'3 y

22'5 s y en algunas de las desintegraciones se forma Xe13754 en un estado de excitación

muy elevado, con energía suficiente para que emita un neutrón pasando a Xe13654 estable.

La energía de los neutrones inmediatos emiti-dos en la fisión varía entre 0'05 MeV y más de 17MeV, no siendo un problema fácil de resolver ladeterminación de sus valores dentro de un margentan amplio. Sin embargo, se han estudiado con grandetalle las energías de los procedentes de la fisióntérmica del Uranio, por diversos métodos según in-tervalos de energía. Al representar la intensidad delos neutrones en función de la energía de los mismosse observa un ancho máximo en las proximidades de0'75 MeV decreciendo luego la intensidad exponen-cialmente o casi, cuando las energías son superioresa 2 MeV, lo que hace que la distribución de energíasentre 0'075 MeV y 17 MeV pueda ser descritamediante la formula empírica:

FIG. 3


11/29

EeEN E 2senh)( −= (8)donde N(E) representa el número relativo de neutrones por intervalo unitario de la ener-gía. 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 enla misma, de más de dos neutrones ha permitido utilizar dicho proceso como fuente deenergía. La emisión de más de dos neutrones por término medio, por fisión facilita elestablecimiento de una reacción en cadena sostenida por estos neutrones. En ciertascondiciones, el número de fisiones y de neutrones aumenta exponencialmente con eltiempo porque cada fisión produce más neutrones de los que absorbe pudiendo llegar aser enorme la cantidad de energía liberada.

El intervalo de tiempo entre las generaciones sucesivas de fisiones es sólo unafracción muy pequeña de segundo, por lo que la energía liberada por la reacción en ca-dena llega a adquirir carácter explosivo como ocurre en las bombas atómicas. Bajo otrascondiciones, la reacción en cadena puede controlarse y alcanzar un estado estacionarioen 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, laenergía liberada, en cuyo caso el resultado es una pila de reacción en cadena o reactornuclear, susceptible de ser utilizado como fuente de neutrones o de energía.

El que la reacción en cadena se mantenga, se refuerce o disminuya hasta anularsedepende de la relación de los neutrones producidos por fisión y su pérdida en diversosprocesos, tales como captura de neutrones sin fisión, reacciones (n-γ) y pérdidas deneutrones a través de la superficie del sistema.

La magnitud de la energía desprendida en la fisión se pone de manifiesto partien-do del dato básico de que la escisión de un núcleo de U-235 libera 200 MeV y por sen-cillos cálculos se deduce que la fisión de 1 Kg de Uranio produciría 8'21.1013 Julios ósea ≈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 ató-mica, tenía que basarse en la fisión provocada por neutrones rápidos, porque sólo eneste caso la liberación de energía sería suficientemente brusca. Los experimentos reali-zados demostraron que la sección eficaz de fisión del Uranio-238 por los neutrones rá-pidos es pequeña en comparación con la sección eficaz total, para toda clase de reaccio-nes, por lo que pareció improbable alcanzar con Uranio-238 (el más abundante en lanaturaleza) bombardeado con neutrones rápidos una reacción en cadena que tuvieracarácter explosivo. En cambio, el isótopo Uranio-235, relativamente escaso en la natu-raleza, parecía idóneo para estos fines, pero su separación en grandes cantidades plan-teaba un problema muy difícil.

Sin embargo, el núclido transuránico Pu-239 ofrecía la solución al problema. Porentonces había cierta evidencia de que la captura de neutrones por el U-238 daba lugar a


12/29

Pu-239 según el proceso:

[ ] PuNpUnU 23994

23993

*23992

10

23892 →→→+ ββ

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 fisiona-ría al ser bombardeado con neutrones lentos o rápidos, lo mismo que el U-235. La sepa-ración química del U-238 del Pu-239 eliminaría las dificultades de la separación isotó-pica planteadas entre U-235 y U-238. Hoy día, esta separación isotópica, lo mismo quela preparación del Pu-239 se realizan en gran escala en un reactor nuclear.

2.7. El reactor nuclear.

El establecimiento de una reacción en cadena con Uranio depende del carácter fa-vorable 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 neutronesque 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 queel exceso de los mismos producidos por el primer proceso, se mantiene la reacción encadena, o dicho de otra manera, el Factor de Multiplicación Eficaz, Ke, determinará siésta continuará en régimen estacionario, se incrementará o decrecerá. El Factor de Mul-tiplicación Eficaz para un corto intervalo de tiempo se define como la razón del númerode neutrones P producidos durante este intervalo (proceso 1) a la suma de los neutronesabsorbidos A (procesos 2 y 3) más los neutrones perdidos L (proceso 4), es decir:

LA

PK e +

= (9)

La reacción de fisión en cadena será crítica o estacionaria cuando Ke=1; aumenta-rá y será supercrítica cuando Ke>1 y decrecerá y será subcrítica cuando Ke<1. Si F es elnúmero de procesos de escisión por unidad de tiempo y ν el promedio de neutronesemitidos en cada fisión P=νF, la ecuación (9) se escribirá:

ALA

FLA

FK e +

×=+

=1

1νν(10)

La razón F/A depende de la cantidad de material escindible y no escindible y desus secciones eficaces para la fisión y la captura neutrónica. La razón L/A depende de lacapacidad del reactor para contener y absorber los neutrones antes que puedan escapar através de la superficie.

2.7.2. Masa crítica de fisión.

Si el Uranio (material escindible) se distribuye regularmente en la totalidad delconjunto que constituye el sistema, la producción de neutrones (proceso 1) es funcióndel volumen de este último mientras que la probabilidad de fuga (proceso 4) depende dela superficie. Si el sistema es pequeño, al estar distribuido el Uranio, la relación entresuperficie y volumen es grande, escaparán la mayoría de los neutrones y serán absorbi-dos muy pocos. La relación L/A será grande, con lo cual en el límite Ke tiende a cero, loque imposibilita el establecimiento de la reacción en cadena. La pérdida de neutrones


13/29

por captura sin fisión (proceso 2) es un efecto del volumen, igual que la producción, ysu importancia relativa no varía con el tamaño del sistema lo que da como resultado quecuanto más grande es el tamaño del conjunto menos probable es la fuga de neutronescon 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:

1>AFν

existe un volumen o tamaño crítico para el cual Ke=1 y se denomina volumen crítico yla masa del material escindible correspondiente se denomina masa crítica. El núcleo delreactor, lugar donde se sitúa el material escindible, puede estar rodeado de material noescindible que sea capaz de reflejar los neutrones hacia dentro, con lo que el volumen yla masa críticos se reducen.

Los neutrones de una energía cualquiera pueden provocar la fisión del Uranio-235no existiendo umbral alguno para el proceso, por ello el establecimiento de una reacciónen cadena se logra con una masa finita de este isótopo. Han sido utilizadas bombas ató-micas elaboradas con U-235 y se ha diseñado y puesto en funcionamiento un reactornuclear que lo utiliza como combustible y donde las fisiones son inducidas por neutro-nes rápidos. En este tipo de reactor, la moderación de los neutrones, si existe, es muyreducida 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 yun moderador adecuado distribuidos ambos de manera apropiada. La sección eficaz delUranio-238 para los neutrones térmicos es lo suficientemente grande para lograr un ba-lance favorable de los factores indicados al principio. Es necesario el moderador parafrenar los neutrones de fisión hasta energías tales que la sección eficaz de fisión delUranio-238 sea suficientemente grande para compensar las pérdidas debidas a la absor-ción ya la fuga. Con Uranio natural han sido utilizados con éxito el grafito y el aguapesada como moderadores, formando un retículo que suele denominarse heterogéneodebido 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 másabundante en la naturaleza y la producción de Pu-239 en los reactores ha permitido dis-poner de combustibles nucleares de elevada calidad lo que ha ampliado las posibilidadesde los sistemas basados en las reacciones en cadena. El Uranio enriquecido, es decir, elUranio natural que contiene más de 0'72% de U-235 ha sido utilizado en forma de saldisuelta 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 tiempodetermina el número correspondiente de neutrones producidos y la velocidad con que seproduce calor, es decir, el nivel de potencia. Para que un reactor funcione en un nivelestacionario de potencia debe extraerse la energía liberada en la fisión que, si bien seproduce originariamente en forma de energía cinética de los fragmentos de fisión, neu-trones, partículas β y rayos γ, se transforma en calor cuando todas estas partículas re-sultan frenadas por los materiales constitutivos del reactor. El calor es eliminado ha-ciendo circular un refrigerante, que puede ser agua, gas a presión o sodio líquido, a tra-vés del reactor.


14/29

La elección del refrigerante depende del objeto al cual sea destinado el reactor ydicha elección está limitada por consideraciones nucleares y técnicas pues el refrige-rante es una impureza y contribuye a la captura de neutrones de fisión, debiéndose tratarde conseguir un punto intermedio entre el daño inferido a la economía de neutrones y laeficacia en la extracción del calor.

En los reactores diseñados para investigación, es decir, como productor de neu-trones 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 deesta producción depende del nivel de potencia, lo que hace necesaria una refrigeraciónmás eficaz, utilizándose agua como refrigerante. Si el reactor es diseñado para producirenergía, pueden ser empleados metales líquidos para aumentar aún más la eficacia de larefrigeración.

2.7.4. Clasificación de los reactores.

De acuerdo con las propiedades del sistema donde se establece la reacción nuclearen cadena, haremos una clasificación de los reactores nucleares según las siguientescaracterísticas:

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 moderador:a) Grafito.b) Agua.c) Agua pesada D2O.d) Berilio u óxido de Berilio (BeO).

5. El refrigerante.a) Aire u otro gas.b) Agua u otro líquido.c) Metal líquido.

6. Finalidad del reactor:a) Como instrumento para la investigación.


15/29

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 unagran variedad de problemas, sin embargo es posible indicar mediante algunos ejemplossencillos 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 medianteun ciclo que recoge las vicisitudes que sufren. El ciclo se inicia con la fisión de un nú-cleo de Uranio-235 por un neutrón térmico, proceso en el que se producen ν neutronesrápidos con una energía media superior a la umbral para la fisión del U-238, por lo quealguno de los núcleos de este isótopo se fisionarán. (Esquema de la página siguiente).

La probabilidad de este proceso adicional de fisión depende de la probabilidadque tengan los neutrones de fisión de chocar con los núcleos de U-238, antes de quechoquen con los del moderador. Una pequeña fracción de los neutrones que chocan conlos núcleos del U-238 puede ciertamente provocar su fisión, produciéndose neutronesque se suman a los producidos en la fisión térmica del U-235, con lo que el número totalde neutrones rápidos de fisión pasa del valor ν al valor νε, donde ε, llamado coeficientede 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 neutronesrápidos procedentes de la fisión de U-235 por neutrones térmicos, llega a aumentar elnúmero total de neutrones de fisión en casi un 3%.

Los νε neutrones producidos se difunden a través del reactor pero una fracción ϕescapa antes de ser moderados hasta energías térmicas, perdiéndose νεϕ neutrones. Losrestantes 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 elU-238 para formar [U-239]* que al desintegrarse por emisión β produce Np-239 y ésteproduce 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 cap-tura con resonancia por el U-238, mientras que la fracción νε(1-ϕ)(1-ρ) resulta captura-da y contribuye a formar Pu-239. El factor ρ se denomina probabilidad de evitar lacaptura con resonancia.

Aunque los neutrones absorbidos por U-238 dejan de intervenir en las fisionesulteriores de U-235 y cabe considerarlos como perdidos, tienen importancia por su con-tribución a la producción de Pu-239, que también es un material escindible. Los neutro-nes que logran evitar la absorción con resonancia llegan a alcanzar energías térmicas enel proceso de moderación, momento en el que puede ocurrir uno de los procesos si-guientes:

1. Algunos de los neutrones (fracción τ) siguen difundiéndose sin ser capturadosy logran escapar del sistema. El número total de neutrones térmicos que esca-pa en cada fisión es νε(1-ϕ)ρτ.

2. De los neutrones térmicos restantes νε(1-ϕ)ρ(1-τ), resulta absorbida una frac-ción δ y la fracción restante 1-δ, (no representada en el esquema) se absorbe


16/29

en otros materiales, como el moderador o los materiales de la estructura delreactor, pudiéndose dar por perdidos.

El número de neutrones todavía disponible para el sostenimiento de la reacción encadena será pues, νε(1-ϕ)ρ(1-τ)δ. El factor δ se denomina coeficiente de utilizacióntérmica. Así, pues, no todos los neutrones absorbidos por el Uranio provocan la fisiónde los núcleos de U-235 pues algunos de ellos son absorbidos por el U-238 (fracción1−θ) para formar U-239 que se desintegra y da lugar a Np-239 y finalmente Pu-239.


17/29

Los otros, (fracción θ) los absorbe el U-235 para formar U-236. La fracción del númerototal de neutrones térmicos absorbidos en el Uranio que provoca la fisión del U-235,viene dada por la relación:

)(

)(

U

U

a

f

σσ

θ = (11)

donde σf(U) es la sección eficaz de fisión del Uranio y σa(U) es la sección eficaz totalde absorción del Uranio.

Se denomina coeficiente de reproducción o de multiplicación al número de fisio-nes secundarias de U-235 producidas por un neutrón engendrado en la fisión anterior deotro núclido igual. Suele representarse por K y su valor es:

)(

)()1()1(

U

UK

a

f

σσ

δτρϕνε −−= (12)

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 coeficienteeta η, por consiguiente el factor de multiplicación K será:

)1)(1( τϕηερδ −−=K (13)

La magnitud K definida por esta última ecuación suele denominarse coeficienteeficaz de multiplicación y corresponde a un sistema de tamaño finito. Para que puedamantenerse una reacción en cadena en estado estacionario en dicho sistema es necesarioque K sea igual a la unidad. Si es menor que 1 no puede existir reacción en cadena y sies mayor que 1 el número de neutrones y de fisiones aumenta en cada ciclo sucesivo yse dice que la reacción en cadena es divergente. El tamaño crítico de un sistema dereacción 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 unsistema de dimensiones infinitamente grandes, en el que no puede haber fugas de neu-trones y donde las cantidades ϕ y τ son, por tanto, nulas. El coeficiente de multiplica-ción en este caso se representa por K∞ y vale:

ηερδ=∞K (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 conresonancia, valen prácticamente la unidad, simplificándose así la expresión que da elvalor de K∞, resultando:

ηδ=∞K (15)

De los cuatro coeficientes de que es función K∞, η depende solo de las propieda-des nucleares del combustible, mientras que ε depende de éstas y de la forma y tamañode dicho combustible. Los restantes coeficientes ρ y δ dependen también de las propie-dades del combustible y de las del moderador, así como de cualquier otro material pre-sente en el reactor y además del modo como están distribuidos todos estos materiales.


18/29

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 físicosmás 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 durantevarios miles de millones de años. El origen de esta energía no puede radicar en reaccio-nes químicas, pues si el Sol fuera todo carbono, su combustión completa, proporcionaríaenergía, al ritmo citado, durante unos pocos miles de años solamente.

Otra fuente posible de energía es la transformación de la energía gravitatoria encalor, pero se ha demostrado que si ocurriera una contracción del Sol, no podría propor-cionar más del 1% de la energía total producida y la edad del Sol sería de unos 20 mi-llones de años.

Esto permitió sugerir que la energía solar tenía origen subatómico o nuclear.Existen muchas reacciones nucleares exotérmicas que liberan energías de varios MeVpor partícula de modo que si se pudiera utilizar todos los nucleones comprendidos en 1g de materia, la energía producida sería del orden de 1012 Julios. Las reacciones de estetipo 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 lugaral flujo observado en las condiciones de temperatura y densidad existentes en el Sol yque 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 llamadaserie principal. La temperatura efectiva de su superficie es de unos 6.000 K mientrasque la interna puede llegar hasta unos 20.000.000 K. Las estrellas de la serie principaltienen temperaturas efectivas superficiales que oscilan entre 2.000 K y 50.000 K y den-sidades que pueden ser de 1/10 a 10 veces la del Sol (ρ=1'41g/cm3). Además entre lasestrellas de esta serie se incluyen enanas blancas, gigantes rojas, variables, novas y su-pernovas, cuyas características son:

- Las enanas blancas tienen densidades sumamente elevadas que posiblemente lleganhasta 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 luminosi-

dad y de temperatura superficial.- Las novas y supernovas presentan bruscamente aumentos considerables de lumino-

sidad.

Entre estos tipos diferentes de estrellas se observan variaciones de sus condicionesinternas, temperatura, densidad, presión y composición química, debiendo existir, portanto, diferentes mecanismos de producción de energía. En ellas pueden tener lugar pro-cesos nucleares diferentes fundados en diversos conjuntos de reacciones.

Apoyándonos fundamentalmente en los datos obtenidos del estudio del Sol, puedeafirmarse que la fisión nuclear de elementos pesados no es capaz de proporcionar laenergía emitida por él, porque la abundancia de los elementos pesados en el Sol es de-masiado pequeña para explicar el flujo energético emitido y la vida del astro. En el sol


19/29

predominan los elementos ligeros, formando el H y el He el 90% de la masa solar enpartes aproximadamente iguales. A partir de esta composición química parece probableque sean ellos quienes intervengan en las reacciones nucleares, lo cual no contradice laspropiedades nucleares de ambos elementos, pues, si suponemos que se combinan 4 pro-tones para formar un núcleo de helio, el proceso es exotérmico como demuestra el ba-lance de masas:

[ ] JuliosMeVHemHmcE 132 10.7'427'26)()4( −==−=Así pues, por cada protón destruido se producirán ≈10-13 julios y por 1 g de mate-

ria solar, que contiene unos 2.1023 protones, se producirán ≈2.1011 Julios/gr, cifra cuyoorden de magnitud corresponde al observado.

Sin embargo, debe excluirse la posibilidad de que choquen cuatro protones paraformar un núcleo de Helio, pues en las condiciones existentes en el Sol, la probabilidadde que esto suceda es mínima. Parece más probable que los cuatro protones lleguen aformar el núcleo de Helio a través de una serie de reacciones nucleares sucesivas, esdecir, mediante una reacción nuclear cíclica. Las velocidades de las reacciones depen-den del número de núcleos por unidad de volumen y de la temperatura. A mayor tempe-ratura, más rápido es el movimiento térmico de las partículas, más frecuentes las coli-siones y mayor la energía con que ocurren. A las temperaturas estelares de 10 a 20 mi-llones de grados Kelvin, las energías resultantes del movimiento térmico son del ordende 1 KeV (a la temperatura ambiente de la Tierra, la energía correspondiente es de 1/40eV). Las reacciones que tienen lugar en estas condiciones se llaman Reacciones Termo-nucleares.

3.1.1. Cadena de protones y Ciclo Carbono-Nitrógeno.

Como origen de la energía solar y demás estrellas de la serie principal, se hanpropuesto dos series de reacciones termonucleares:

A) La primera, denominada a veces reacción en cadena de protones está consti-tuida por las reacciones siguientes:

νβ ++→+ +HHH 21

11

11 + 0’42 MeV

seguida de: γ+→+ HeHH 32

21

11 + 5’50 MeV

Cada una de éstas se verifica dos veces y da lugar a: HHHeHeHe 1

111

42

32

32 ++→+ + 12’84 MeV

y el efecto conjunto es por tanto:( ) γνβ 2224 4

221 +++→ +HeH

liberándose una cantidad total de energía de 26'7 MeV (o 26'2 MeV si se resta la energíacinética de los neutrinos). Los positrones β+ emitidos se aniquilan con electrones libresproduciéndose emisión de rayos γ.

La producción de un núcleo de Helio a partir de cuatro protones es un ejemplo delproceso llamado Fusión Nuclear por el que se forma un elemento más pesado a partir deuno o varios más ligeros.

B) La segunda serie de reacciones termonucleares, fue propuesta por Bethe, en1939, 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-


20/29

geno presentan la propiedad notable de poderse ordenar dentro de un ciclo donde dichosnúcleos no se consuman, sino que se regeneran, actuando como catalizadores de unaserie de reacciones en las que 4 protones se transforman en un núcleo de Helio. El ciclose compone de las siguientes reacciones:

[ ] γ+→→+ NNHC 137

137

11

126

νβ ++→ +CN 136

137 T=9’9 min (*)

[ ] γ+→→+ NNHC 147

147

11

136

[ ] γ+→→+ OOHN 158

158

11

147

νβ ++→ +NO 157

158 T=2’1 min (*)

[ ] HeOOHN 42

126

168

11

157 +→→+

Esta cadena de reacciones puede ser iniciada indistintamente con Nitrógeno o conCarbono, ya que cada uno de ellos se reproduce en la misma. La única diferencia es queen uno de cada 10 casos, la última reacción conduce a la formación de γ+O16

8 . Comolos positrones se combinan con electrones libres dando rayos γ el resultado neto del ci-clo es la combinación de cuatro protones para dar lugar a un núcleo de Helio, con laconsiguiente liberación de energía. La energía obtenida es de 25'7 MeV, de la cual, unapequeña parte es arrastrada por los neutrinos durante las fases radiactivas del ciclo, reac-ciones (*).

Durante años se creyó que la casi totalidad de la energía del Sol y las estrellas sedebía al ciclo Carbono-Nitrógeno, pero a consecuencia de los nuevos datos nucleares, seconsidera 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 enlas estrellas de la serie principal más luminosas que el Sol y cuyas temperaturas centra-les son más elevadas.

Se han sugerido ciertas reacciones nucleares para explicar la producción de ener-gía en las estrellas que difieren mucho del Sol. Es probable que existan estrellas quefueron originariamente parecidas al Sol pero que por su elevada luminosidad y veloci-dad de conversión del Hidrógeno en Helio, hayan agotado ya la cantidad existente delprimero, y su temperatura no será, probablemente, lo suficientemente elevada para quese produzcan reacciones nucleares entre núcleos de Helio. Cabe esperar que sufran unacontracción gravitatoria hasta que su densidad central y su temperatura se eleven cons i-derablemente (T ≈ 2.108 K) pudiendo entonces ocurrir las siguientes reacciones:

BeKeVHeHe 84

42

42 95 →++ MeVCBeHe 4'712

684

42 +→+

Una vez producido un núcleo de C126 puede sufrir otra reacción del tipo (α,γ) dan-

do lugar a un núcleo de O168 y la generación de 7 MeV.

MeVOHeC 7168

42

126 ++→+ γ

De este modo, es posible que se produzca energía en ciertas estrellas mediantereacciones de fusión de núcleos más pesados que el Helio, pues una vez agotado todo elHelio por las dos últimas reacciones puede originarse una nueva contracción de las es-trellas, elevándose su temperatura y surgiendo las condiciones adecuadas para la forma-ción de átomos de masa atómica media. Se ha comprobado que la zona de números má-sicos inmediata a 60 es la más estable y que cualquier combinación apreciable de estos


21/29

átomos para formar otros núcleos más pesados conduce a reacciones endotérmicas másque a exotérmicas. Apoyándose en esta evolución de las estrellas, se ha sugerido que lasreacciones 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, esdecir, al menos uno de los núcleos producto de la reacción nuclear posee mayor masaque cualquiera de los núcleos reaccionantes iniciales. La fusión nuclear conduce a laliberación de energía en los casos en que la masa total de los núcleos resultantes es infe-rior a la masa total de los núcleos reaccionantes, lo cual suele suceder para aquellos nú-cleos ligeros de números másicos A1 y A2 tales que se cumpla que A1+A2<60. Ya hemosvisto varias reacciones de este tipo al estudiar la energía estelar, como la reacción encadena de protones y el ciclo del Carbono-Nitrógeno. En la fig.l que nos da la curva dela energía media de ligadura por nucleón observamos que presenta una pendiente muypronunciada para valores A<12 lo que indica que la fusión de los elementos muy ligerosliberará cantidades mayores de energía. La curva tiene pendiente negativa a partir delnúcleo de A=60.

Las reacciones consideradas anteriormente en la cadena protón-protón son ejem-plos de fusión nuclear, sin embargo tales reacciones se verifican con una probabilidadmuy pequeña, por lo que dicho ciclo requiere un total de tiempo de varios millones deaños. Unicamente por la gran masa de las estrellas, dichos procesos explican la emisiónde energía estelar.

La realización por el hombre, de procesos de fusión nuclear en el laboratorio, vie-ne limitada a las reacciones de síntesis con núcleos ligeros que se verifiquen con granprobabilidad, 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:

HHHH 21

31

21

21 +→+ + 4’02 MeV

o bien nHeHH 10

32

21

21 +→+ + 3’25 MeV

Las secciones eficaces para estas dos reacciones son prácticamente iguales, siendomucho mayores las correspondientes a la reacción entre Deuterio y Tritio, la cual liberamucha más energía por cada unidad de masa atómica que interviene en la misma.

nHeHH 10

42

31

21 +→+ + 17’6 MeV

La reacción entre Deuterio y Helio-3 es también más energética pero tiene unamenor sección eficaz:

HHeHeH 11

42

32

21 +→+ + 18’3 MeV

Tanto Tritio como Helio son productos de la reacción Deuterón+Deuterón. Cadauno de ellos puede producirse en un acelerador de partículas adecuado. Aunque todaslas reacciones son exotérmicas, la cantidad de energía cedida es sólo una fracción muypequeña de la energía suministrada por el acelerador, por tanto, se hace preciso idearotros métodos que permitan utilizar dichas reacciones como fuentes de energía.


22/29

3.2.1. La Bomba de Hidrógeno.

De lo anterior, resulta obvio que un posible método para producir la reacción defusión nuclear sería a partir de una cantidad de Deuterio o de una mezcla de Deuterio yTritio (en forma de hidrocarburo compacto, hidrocarburo parafínico elevado o mejor dehidruro de Litio) y provocar una gran elevación de la temperatura. El orden de magnitudde ésta puede deducirse del hecho de que las anteriores reacciones se producen cuandolos deuterones son acelerados hasta energías superiores a 10 KeV. Recordemos que losllamados neutrones térmicos (que se encuentran en equilibrio con la materia a tempera-tura ambiente 300 K) poseen por término medio una energía de 1/40 eV. Por cons i-guiente: 1 eV ≈12.000 K

1 KeV ≈12.000.000 K10 KeV ≈120.000.000 K

La explosión de una bomba de fisión de Uranio (bomba atómica) permite obtenertemperaturas de este orden de magnitud y como el proceso de fusión desprende grancantidad de energía, la temperatura se elevará mucho más y el proceso tendrá carácterexplosivo. El dispositivo adecuado constituye la llamada bomba de Hidrógeno o termo-nuclear.

Han fracasado todos los intentos de producir reacciones de fusión termonuclearcontroladas hasta el punto de que todos los trabajos realizados sobre este tema, conside-rados secretos, se hicieron públicos en 1958. Ello hace posible atacar el problema porlos métodos científicos ordinarios: estudio cuidadoso de las propiedades de un gas com-pletamente ionizado o plasma, el cual, en casi todos los casos se trata de Deuterio. Losfísicos estudian de nuevo este tema con métodos más elaborados e ingeniosos a la luz delas 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 delos elementos empleados en sus reacciones, y se ha pensado en ella para resolver el pro-blema energético del futuro. Sin embargo hasta este momento no se ha podido utilizaren la Tierra ya que para lograr reacciones de fusión es necesario suministrar a los nú-cleos una cierta cantidad de energía, y obtener de las reacciones una energía mucho ma-yor que la consumida.

Para que se produzca la fusión de un núcleo de Deuterio con uno de Tritio es ne-cesario aproximar los núcleos hasta una situación en la que reaccionen perdiendo suidentidad, con formación de un núcleo de Helio y un neutrón, con una cierta liberaciónde energía. Para hacer que los dos núcleos puedan acercarse deben vencer las fuerzas derepulsión, y para ello es necesario calentar el medio hasta temperaturas muy elevadas(millones de grados), transformándose el medio en un plasma formado por iones yelectrones.

En estas condiciones, las partículas (iones y electrones) tienden a seguir caminosindependientes, pudiendo incluso no reaccionar los núcleos entre sí. Para que tengan


23/29

lugar las reacciones de fusión, una vez alcanzadas las condiciones mínimas, es precisoconfinar el plasma para que no escapen las partículas y puedan reaccionar la mayorparte de los núcleos, obteniéndose así la mayor cantidad de energía posible.

Resumiendo: para efectuar reacciones de fusión, la condición necesaria es llevarel medio a una temperatura elevada y para que la fusión sea rentable energéticamente esnecesario obtener el mayor número de reacciones de fusión entre los núcleos de un vo-lumen determinado, para lo cual el plasma deberá confinarse el mayor tiempo posible.

El físico inglés Lawson estableció una relación entre dos magnitudes, que sonDensidad de Núcleos, (n) y Tiempo de Confinamiento, (t), para definir la condición deganancia neta nula, es decir, que la energía gastada para calentar y confinar el plasmafuera recuperada en las reacciones de fusión. Esta relación, conocida como criterio deLawson, viene dada mediante el producto de dichas magnitudes, cuyo valor para el casode la reacción de fusión del Deuterio-Tritio es:

1410. =tn (16)

Para alcanzar dicho criterio se han establecido dos líneas de investigación en lafusión caracterizadas por la forma en la que se realiza el confinamiento del plasma: lamagnética y la inercial.

La fusión por confinamiento magnético utiliza campos electromagnéticos para ha-cer que las partículas del plasma se aceleren en las líneas del campo, evitando que sigancaminos aleatorios, y pueden así reaccionar con más facilidad. En este caso, las fases decalentamiento y confinamiento se hacen separadas. Se comienza con la aplicación deuna corriente eléctrica a los iones del plasma aumentando su temperatura mediante laaceleración de los mismos. Como ese sistema es insuficiente para alcanzar las condicio-nes de fusión, se bombardea el plasma con partículas neutras de alta energía, que comu-nican energía por choques a los iones del plasma, aumentando así la temperatura. Fi-nalmente, la aplicación de radiofrecuencia consigue mediante excitaciones aumentar latemperatura hasta las condiciones de fusión. Al mismo tiempo, la aplicación del campomagnético permite que el plasma se confine y no escape del recinto, produciéndose lapropagación final de las reacciones de fusión al resto del combustible. En estos siste-mas, el tiempo de confinamiento es del orden de milésimas de segundo.

La fusión por confinamiento inercial consiste en efectuar las fases de calenta-miento y confinamiento al mismo tiempo, utilizando el mismo dispositivo suministradorde energía. Para ello se ha visto que el empleo del Láser o de haces de iones procedentesde un acelerador, son capaces de poder suministrar la energía necesaria para efectuar lafusión de unas microesferas de Deuterio y Tritio. La energía procedente de estos apara-tos se deposita en las capas externas de estas microesferas produciendo un efecto deablación con una aceleración de las capas más internas aumentando su densidad, y lle-vando al plasma a la situación en que se alcanza la temperatura mínima para comenzarlas reacciones de fusión, las cuales se propagan muy rápidamente. En estos sistemas lostiempos de confinamiento son del orden de nanosegundos.

Para llegar al criterio de Lawson, la potencia que debe tener el láser debe ser de1014watios, es decir, de unos 105 julios durante un nanosegundo (10-9 s), lo que puedeconseguirse con el desarrollo de láseres de alta potencia.


24/29

En el proceso científico-tecnológico a desarrollar para conseguir producir energíaeléctrica a partir de los procesos de fusión nuclear podemos distinguir tres etapas fun-damentales: -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 fi-sión, se producen una gran cantidad de productos radiactivos, cuya radiación puede da-ñar seriamente la salud de las personas y del medio ambiente, si no se mantienen con-trolados y confinados. Por tanto, el origen del riesgo en las centrales nucleares se en-cuentra en la presencia y posible escape de las radiaciones y de los productos radiacti-vos producidos en el reactor.

Por este motivo, el objetivo fundamental de la seguridad nuclear consiste en dise-ñar, construir y operar las centrales nucleares para obtener de forma segura la produc-ción de energía eléctrica, es decir, que se haga sin que ello suponga un riesgo superior altolerable para la población y para los trabajadores de la central.

Los caminos de escape de la radiación y los productos radiactivos, suelen ser si-milares en cualquier tipo de central nuclear; sin embargo, nos vamos a referir a las cen-trales de agua ligera ya que son las más abundantes en el mundo occidental. En unreactor de este tipo, para impedir el escape de la radiación y de los productos radiacti-vos, se han definido cuatro barreras físicas, que explicaremos a continuación.

El combustible nuclear que es un combustible cerámico, formado por pastillas deóxido de Uranio sintetizado de alta densidad, constituye en sí la primera barrera, puesretiene 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 el90% de los gases y volátiles producidos.

La segunda barrera es la vaina o varilla donde van apiladas herméticamente laspastillas de UO2 y no dejan pasar a los productos de fisión. Sin embargo, en el diseño dela central se admite una pequeña proporción de defectos mecánicos en las vainas, siem-pre 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 integradopor la vasija del reactor que es de acero especial de 20 a 25 cm de espesor, revestidainteriormente de acero inoxidable, de las bombas de refrigeración, intercambiadores decalor 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 varecubierto interiormente de una chapa de acero para asegurar la hermeticidad del edifi-cio. La misión de este edificio, tanto en las centrales a presión o a ebullición, aunque de


25/29

diferente diseño, es la de asegurar el confinamiento del circuito primario, en caso derotura 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 fí-sicas, 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 com-bustible, y que en las operaciones normales, no deberán pasar al refrigerante, se produ-cen 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 concentra-ción de líquidos, filtros de descontaminación y equipos o materiales sólidos contamina-dos. Para su tratamiento se usa el sistema de residuos sólidos, que primero se almacenanhasta que haya disminuido suficientemente la radiactividad, después se procede a unadisminución de volumen mediante un prensado y finalmente, se encierran en bidonespara su posterior almacenamiento.

Los residuos líquidos provienen de la activación del refrigerante del reactor, de laactivación de los productos de corrosión y de los productos de fisión que hayan podidoescapar a través de las vainas de combustible. Otros proceden del laboratorio y lavande-ría. Estos residuos son tratados por el sistema de residuos líquidos, sometiéndolos a di-versos procesos, para después almacenarlos de forma segura. Algunos de ellos se recir-culan de nuevo al reactor y otros se concentran mediante evaporación y posteriormenteencerrados 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 elementoscombustibles, 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 retenciónde los mismos y su posterior filtración. Los gases que son inocuos pueden ser evapora-dos al exterior.

La seguridad de la central durante la explotación se realiza con los sistemas antesdescritos, complementados con la inspección, vigilancia y comprobación periódica delos mismos, mediante ensayos prescritos. Aparte de los rigurosos controles dentro delemplazamiento de la central, se lleva acabo un plan de vigilancia ambiental en la zonade 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.


26/29

5.2. Repercusión sobre la salud pública.

Los efectos que la radiación produce en el medio han sido desgraciadamente co-nocidos desde sus orígenes, teniendo su punto culminante en Hiroshima y Nagasaki.Desde ese momento ha existido una intensa preocupación por parte de todos los paísesen llegar a conocer las últimas consecuencias de la radiación, especialmente en aquellaprocedente de las aplicaciones pacíficas, tales como el empleo de los radioisótopos y deluso energético de las reacciones de fisión y de fusión.

Las radiaciones actúan sobre los organismos vivos, ionizando y excitando a losconstituyentes celulares, afectando la composición química de la materia que atraviesan.En los tejidos vivos, se produce una pérdida de las funciones celulares, cuya importan-cia depende de la dosis absorbida.

Se han de establecer previamente unos parámetros adecuados para la medida delas radiaciones absorbidas por las células, o sea medida de las dosis absorbidas. Lasmagnitudes que se utilizan en la irradiación de los materiales son:

La exposición, J, o capacidad de la radiación electromagnética de ionizar el aire yse define como la relación entre la carga, Q, total de iones producida a la masa, m, delaire. Se en Röntgen (R) o en C/Kg, si se trabaja en el Sistema Internacional.

mQ

J =

KgC

)(/10.610'1)(/10.58'21 154 aireKgionesaireKgCR == − (16)

La dosis absorbida, D, se define como la fracción de la energía absorbida por ca-da unidad de masa de material irradiado. Su unidad del Sistema Internacional es elGray, aunque también se utiliza el rad.

mE

D =

= GrayKgJ

(17)

La relación entre ambas, o sea, la dosis absorbida para una determinada exposi-ción depende del material irradiado, pues ambas son proporcionales y relacionadas poruna constante de proporcionalidad, f, llamado factor de proporcionalidad:

JfD .= (18)donde el factor de proporcionalidad f es característico del material y depende de su den-sidad y de su coeficiente de absorción de energía.

La dosis equivalente, DE, que es proporcional a la dosis absorbida D, permite me-dir los efectos biológicos de la radiación. Se define como:

DDE .χ= (19)siendo la constante de proporcionalidad, χ, el llamado factor de calidad y depende deltipo y energía de la radiación. La dosis equivalente se mide, en el Sistema Internacionalen Sievert (Sv) y también en rem (röntgen equivalent man):

1 1001)( ==KgJ

SvSievert rem

Se denominan dosis máxima permisible (DMP), a aquella dosis de radiación ioni-zante que no causa lesiones corporales apreciables a una persona, entendiendo, sin em-bargo, que toda radiación produce un daño biológico a nivel celular.


27/29

El conocimiento de los efectos biológicos de las radiaciones sobre los organismosvivos procede de estudios minuciosos, ya que no todas las células tienen comporta-mientos iguales. Normalmente existe un periodo de latencia entre el momento en que seproduce la irradiación y se comienzan a manifestar los efectos. Este periodo es muyvariable, pudiendo ser de sólo unos pocos minutos en casos de dosis elevadas, o de va-rios años en casos de dosis bajas recibidas durante largos periodos de tiempo. Segúnesto, los efectos biológicos se suelen clasificar en tres grupos.

1. Al primer grupo corresponden aquellos efectos funcionales que tienen lugarcomo consecuencia inmediata de irradiaciones agudas, que se manifiestan mediantenáuseas, vómitos, hemorragias, quemaduras y en el último caso, la muerte. Existe unaproporcionalidad entre el daño causado y la dosis recibida.

Estudios realizados por irradiaciones agudas han concluido en establecer el si-guiente baremo:

- Por debajo de 25 rem de irradiación al cuerpo, pueden producirse manifestacio-nes leves, recuperables al cabo del tiempo, lo cual puede concluirse como que to-da irradiación aguda por debajo de 25 rem puede considerarse funcionalmentecomo despreciable.

- Alrededor de 100 rem se producen lesiones importantes que pueden durar algu-nas 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 delas personas mueren al cabo de varias semanas, mientras que la otra mitad lo su-peran.

- Por encima de 1000 rem la supervivencia es imposible.

2. El segundo grupo de efectos se desarrolla a largo plazo y son de tipo oncológi-co. La probabilidad de aparición de cáncer es proporcional a la dosis colectiva recibidapor la población. Este periodo se estima alrededor de los 30 años en el cual se calcula ladosis colectiva integrada. Estos efectos, al igual que los del tercer grupo, son estocásti-cos, 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 lesionesen los cromosomas. Se estima que una dosis de 100 rem duplica la tasa espontánea demutaciones, dándose como referencia la aparición de un enfermo hereditario por cada10.000 rem/hombre.


28/29

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 deEnergía Nuclear. Ministerio de Educación Nacional. 1965. MADRID.

Santiago BURBANO DE ERCILLA, Enrique BURBANO GARCÍA y CarlosGRACIA MUÑOZ. Física General. XXXI Edición. Mira Editores. 1993. ZARAGOZA.

La eliminación de los residuos radiactivos. Bernard L.COHEN. Revista INVES-TIGACION Y CIENCIA:. Número 11. Agosto/1977.


29/29

Tratamiento Didáctico----------------------------------------------------------------------------------------------------------OBJETIVOS

Dar una visión de energía nuclear y las consecuencias que se derivan de su utiliza-ción para fines pacíficos y no pacíficos.

Introducir al alumno en el mundo de la energía nuclear con un conocimiento objeti-vo, para estudiar y conocer sus aspectos tanto positivos como negativos.

Conocer la problemática creada alrededor de la energía nuclear, especialmente su in-cidencia en el organismo humano y en la naturaleza así como los problemas planteadoscon los residuos nucleares.UBICACIÓN

El tema será ubicado, a un nivel muy elemental y de introducción, en el 2° curso debachillerato, 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 deenergía nuclear, especialmente la fisión y fusión nuclear.

Es un tema fundamentalmente descriptivo y experimental con multitud de aplicacio-nes técnicas y prácticas, de una materia controvertida en plena actualidad y debe expli-carse exhaustivamente y con precisión y con la prudencia requerida a lo delicado de lacuestión, especialmente en la utilización pacífica de la energía nuclear, por sus connota-ciones 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 DIDACTICOSApuntes de clase, que serán complementados con libros de consulta y revistas cientí-

ficas con artículos sobre los últimos trabajos de investigación; recomendamos INVES-TIGACION y CIENCIA, versión española de Scientific American.

Transparencias para retroproyector sobre elementos gráficos del tema, fundamentalespara la explicación: reacciones nucleares, reactores nucleares, ciclos estelares, etc.EVALUACIÓN

Ejercicio escrito sobre cuestiones teóricas, cuestiones prácticas y problemas relacio-nados con las reacciones nucleares, reacciones de fisión y fusión, condiciones de reali-zación, reactores nucleares, etc.

Prueba escrita de opción múltiple, con preguntas de varias respuestas, relacionadascon las cuestiones de energía nuclear del tema.

temas de fÍsica y quÍmica (oposiciones de enseñanza...

Documents