Este documento trata sobre la ampliación de la energía nuclear. Explica brevemente las cuatro interacciones fundamentales, la estabilidad nuclear y los tipos de desintegración nuclear. También habla de la fusión nuclear en el sol y en reactores Tokamak, así como del proyecto ITER que busca demostrar la viabilidad de la energía de fusión a gran escala.

1. AMPLIACIÓN ENERGÍA
NUCLEAR
Dpto. Tecnología. IES Palas Atenea

2. AMPLIACIÓN ENERGÍA
NUCLEAR
● Introducción a la física nuclear
● Interacciones fundamentales
● Estabilidad nuclear
● Desintegraciones nucleares
● Interludio: Un poco de historia de la radiación artificial
● Fusión nuclear
● El sol como reactor nuclear
● Reactor Tokamak
● Proyecto ITER

3. INTRODUCCIÓN: MODELO
ESTÁNDAR
Electromagnética
Mayoría de
la materia Portadoras de
ordinaria Fuerzas
(interacciones)
Nuclear fuerte
Nuclear débil

4. FUERZA NUCLEAR DÉBIL
Desintegración β - Desintegración β+
(energéticamente favorable) (energéticamente desfavorable)
Capaz de cambiar la naturaleza de una partícula.

5. FUERZA NUCLEAR FUERTE
Responsable de mantener unidos a los quarks dentro de
los nucleones mediante el intercambio de gluones
Protón Neutrón

6. FUERZA NUCLEAR FUERTE
¿Cómo se mantienen unidos los nucleones entre ellos en los núcleos?
Intercambiando partículas virtuales
(mesones π o piones)
Deben cumplir el principio de indeterminación de Heisenberg
Sus vidas sólo permiten desplazamientos de 1,4 fm
LOS NÚCLEOS DE GRAN TAMAÑO NO SON ESTABLES

7. ESTABILIDAD NUCLEAR
Un núcleo será estable si su energía total es menor que la suma de las
energías de sus constituyentes.
Mnuc = Z·mp + N·mn – B/c2 B = [Z·mp + N·mn – Mnuc]·c2
Energía de ligadura
Si tenemos en cuenta los electrones:
B = [Z·MH + N·mn – Mát]·c2

8. ENERGÍA POR NUCLEÓN (B/A)
Fusión Fisión

9. NÚCLEOS INESTABLES
Son núcleos de alta energía.
Pueden perderla mediante diferentes procesos:
●
Emisión de radiación γ (transiciones entre niveles nucleares)
● Captura electrónica: p+ + e- → n + νe + γ
●
Energía cinética: β−(e-)
β+(e+)
Neutrones El nuevo núcleo
Protones nace en un estado
excitado
Partículas α

10. NÚCLEOS INESTABLES
RADIACTIVIDAD Natural
Artificial
(Mediante bombardeo)

11. DESINTEGRACIÓN NUCLEAR
La desintegración es un fenómeno puramente probabilístico
N(t) = N0 · e -λt
Cte. desintegración
Vida media
τ = 1/λ
t1/2 = τ·ln2 Período de semidesintegración o semivida

12. MEDIDA DE LA RADIACTIVIDAD
● Actividad (A): Número de desintegraciones por segundo de un
material. Se mide en Bequerels (1 Bq = 1 desintegración/segundo)
● Exposición (X): Carga creada por la radiación ionizante por unidad de
masa de aire. Se mide en Roetgen (1 R = 2,58·10-4 C/Kg.)
● Dosis absorbida (D): Energía depositada en un material por
unidad de masa. Se mide en Grays (1 G = 1 J/Kg)
● Dosis equivalente: Corrige la dosis absorbida por un factor de
calidad, que depende de los efectos biológicos de cada radiación.
DE = D·QF. Se mide en sieverts (Sv)
● Dosis anual normal: 1-2 mSv. Dosis máxima: 5 mSv

13. UN POCO DE HISTORIA
Década de 1930:
● Otto Hahn y Lise Meitner
obtienen e identifican como tal
una fisión nuclear artificial.
● Leó Szilárd concibe la idea de
la reacción en cadena.

14. UN POCO DE HISTORIA
1939: Einstein y Szilárd escriben al presidente Roosevelt alertando del peligro
real de que los nazis construyan una bomba atómica.

15. UN POCO DE HISTORIA
En 1942, Enrico Fermi
consigue la primera
reacción en cadena
controlada mediante fisión
nuclear.

16. PROYECTO MANHATTAN
Métodos de separación Moderador.
de isótopos. (Difusión (Grafito, agua pesada)
gaseosa, calutrón)
Masa crítica de los mismos.
(52 Kg. U235, 10 Kg. Pu239)
Combustibles más apropiados
(U235 y Pu239)

17. FUSIÓN NUCLEAR
Para núcleos ligeros la
fusión es energéticamente
favorable.
Helio
Tritio
Deuterio

18. EL SOL COMO REACTOR DE
FUSIÓN.

19. EL SOL COMO REACTOR DE
FUSIÓN.
Ciclo de Bethe: 4 p+ → He4 + 2e+ + 2νe
Se aniquilan con 2 e-
Cadena protón-protón: H1 + H1 → H2 + e+ + νe
H1 + H2 → He3 ;
He3 + He3 → He4 + 2 H1
τ ~ 7·109 años
Temperatura: 15·106 K
Presión: 2,7·109 atm.

20. EL SOL COMO REACTOR DE
FUSIÓN.
Los fotones tardan Los neutrinos prácticamente no
un millón de años interaccionan → Atraviesan el sol sin
en salir del sol problemas

21. REACTOR DE FUSIÓN: OTRO
POCO DE HISTORIA
Inicios: Proyecto Manhattan Bomba termonuclear
Fines civiles (fusión controlada):
Proyecto Sherwood (1952-1958)
Proyecto Tokamak (URSS): desde 1956
Ivy Mike (1952)

22. REACTOR TOKAMAK
тороидальная камера с
магнитными катушками
Cámara toroidal con
bobinas magnéticas

23. REACTOR TOKAMAK
El campo magnético toroidal
mantiene confinado un plasma
que tiende a expandirse.
Los neutrones no sienten el campo
magnético. Transfieren su energía al
chocar contra las paredes del reactor.

24. REACTOR TOKAMAK

25. ¿ES LA FUSIÓN UNA ENERGÍA
LIMPIA?
El tritio es radiactivo: Vida media 12 años
Se produce dentro del reactor
Las paredes del reactor son radiactivas 50 años

26. ITER (International Thermonuclear
Experimental Reactor)

27. ITER (International Thermonuclear
Experimental Reactor)
Cadarache (Francia)
UE, Rusia, EEUU, China,
India, Japón, Corea del Sur
Fecha prevista: 2019
Potencia introducida: 50 MW Coste presupuestado: 15000
millones de euros
Potencia producida: 500 MW
Primera central comercial: no antes de 2050

28. Lawrence M. Krauss